Katherina Reiche wurde am 16. Juli 1973 in Luckenwalde/Brandenburg geboren. 1992 legte sie am Gymnasium Luckenwalde ihr Abitur ab. Sie entschloss sich, ein Studium der Chemie an der neu gegründeten Universität Potsdam aufzunehmen. Während ihrer Studienzeit war sie Gründungsmitglied des "Rings Christlich Demokratischer Studenten" - kurz RCDS - an der Universität Potsdam.

Ein Studienaufenthalt führte sie 1995 in die USA. An der Clarkson University, New York, wirkte sie ein Jahr als Forschungsassistentin am Institut für Chemie und Biologie mit. Weitere Erfahrungen im europäischen Ausland sammelte sie 1997 während ihrer Forschungsaufenthalte an der Turku University in Finnland.

Während ihres Studiums wurde Katherina Reiche als Beststudentin der Mathematisch/Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam ausgezeichnet. 1997 schloss sie ihr Studium als "Diplom-Chemikerin" mit Auszeichnung ab. Seit 1997 war sie an der Universität Potsdam als wissenschaftliche Mitarbeiterin beschäftigt.

Um ihrem politischem Engagement Ausdruck zu verleihen, kandidierte sie 1998 für den Deutschen Bundestag. Seither ist sie Mitglied des Deutschen Bundestages.

2002 konnte sie als Mitglied im "Kompetenzteam" von Kanzlerkandidat Dr. Edmund Stoiber für Familienpolitik erneut in den Deutschen Bundestag einziehen. An führender Stelle wirkte sie als Vorsitzende der Arbeitsgruppe Bildung und Forschung in der CDU/CSU-Bundestagsfraktion mit. Nach ihrer Wiederwahl in den Deutschen Bundestag 2005 fungierte Katherina Reiche als stellvertretende Vorsitzende der CDU/CSU-Bundestagsfraktion und war zuständig für die Bildungs- und Forschungspolitik sowie für die Bereiche Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. In der 17. Wahlperiode war sie Parlamentarische Staatssekretärin beim Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. In der 18. Wahlperiode wurde sie zur Parlamentarischen Staatssekretärin beim Bundesminister für Verkehr und digitale Infrastruktur ernannt. Diese Funktion hatte sie bis zum Februar 2015 inne.

Katherina Reiche ist verheiratet und Mutter dreier Kinder. Ihre Freizeit verbringt sie vorwiegend mit ihrer Familie. Sportlichen Ausgleich sucht sie zusammen mit ihrem Ehemann im Laufsport.

Katherina Reiche ist Mitglied im Verein zur Wiedergründung der katholischen Marienschule in Potsdam und des Kuratoriums der Stiftung Begegnungsstätte Gollwitz.