Katharina Thoma studierte zunächst Klavier an der Musikhochschule Lübeck, bevor sie sich der Opernregie zuwandte. Als Regieassistentin am Staatstheater Kassel und an der Oper Frankfurt arbeitete sie mit Regisseuren wie Richard Jones, Keith Warner und Christof Loy. 2007 erhielt sie den 2. Preis beim Europäischen Opernregiewettbewerb „Camerata Nuova“, daraufhin erfolgte ihr Debüt an der Oper Malmö (Vanessa von Samuel Barber). Seit 2008 ist sie als freischaffende Regisseurin tätig und inszenierte an großen europäischen Opernhäusern wie dem Royal Opera House Covent Garden, London, an der Opéra du Rhin, Strasbourg sowie in Stockholm (Royal Swedish Opera sowie Folkopera) und Göteborg. Außerdem führte sie Regie bei renommierten Festivals wie Glyndebourne und der Münchner Biennale. In Deutschland inszenierte sie u.a. an der Oper Frankfurt, dem Staatstheater Kassel, dem Badischen Staatstheater Karlsruhe und dem Mecklenburgischen Staatstheater Schwerin. Von 2011 bis 2014 war sie Hausregisseurin an der Oper Dortmund und konnte sich dort ein breites Repertoire erarbeiten mit Werken von Cavalli und Händel bis zu Verdi, Puccini, Bizet und Mussorgski. In der Spielzeit 2019/20 wird sie ihre ersten Inszenierungen von Wagner-Opern präsentieren. Ein weiterer Schwerpunkt ihrer Arbeit liegt in der szenischen Ausbildung junger Sänger. So war sie als Dozentin tätig an der Musikhochschule Mainz und hatte 2018 eine Gastprofessur an der Kunstuniversität Graz inne.

Seit dem Wintersemester 2019/20 ist sie Professorin an der HfM Würzburg und leitet die dortige Opernschule.