Katherine Johnson nació en White Sulphur Springs, Virginia Occidental, y superó rápidamente el bachillerato gracias a su gran interés y a sus demostrados conocimientos de matemáticas. Asistió al West Virginia State College, donde se graduó con los máximos honores en 1937 con una licenciatura en matemáticas y francés, y aceptó un trabajo como profesora en una escuela pública negra de Virginia. Cuando Virginia Occidental decidió integrar discretamente sus escuelas de posgrado en 1939, ella fue una de los tres primeros afroamericanos seleccionados para desegregar el West Virginia State College. Sin embargo, tras la primera sesión, decidió dejar los estudios y fundar una familia con su marido James F. Goble. Cuando sus tres hijas crecieron, volvió a la enseñanza.

Se enteró de que el Laboratorio Aeronáutico Langley de la NACA estaba contratando a un grupo de matemáticos afroamericanos con experiencia docente para realizar cálculos matemáticos que transformaran los datos brutos obtenidos mediante instrumentación en parámetros finales de ingeniería. Comenzó su carrera en Langley, en la sección segregada de Informática del Oeste, en el verano de 1953, bajo la supervisión de su compatriota Dorothy Vaughan. El grupo de mujeres matemáticas que realizaban cálculos de reducción de datos se conocía como "computadoras".

Johnson realizó valiosas contribuciones a programas aeronáuticos y espaciales fundamentales de la NACA y la NASA. Superando las limitaciones de la segregación y los prejuicios sexistas, progresó desde tareas matemáticas, como el cálculo de datos experimentales de vuelo y pruebas en tierra utilizando una calculadora mecánica Frieden para la NACA, hasta la aplicación de trayectorias de naves espaciales y cálculos de control de naves espaciales para la NASA.

Su legado incluye un extraordinario impacto social como pionera de la ciencia espacial y la informática que puede apreciarse tanto en los honores que ha recibido como en el número de veces que su historia se presenta como modelo a seguir para los jóvenes aspirantes. Galardonada con la Medalla Presidencial de la Libertad

El presidente Barack Obama concedió a Johnson la Medalla Presidencial de la Libertad, citándola como ejemplo pionero de mujer afroamericana en ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM). En 2016, la NASA dedicó una nueva Instalación de Investigación Computacional Katherine G. Johnson en el Centro de Investigación Langley. La Dra. Johnson fue incluida en la lista de "BBC 100 Women", una lista de 100 mujeres inspiradoras e influyentes de todo el mundo. Entre sus galardones figuran el premio Arthur B.C. Walker II de la Sociedad Astronómica del Pacífico (2016); un premio Snoopy de Plata de la NASA (2016); un Doctorado Honoris Causa en Ciencias por la Universidad Old Dominion (2010); un Doctorado Honoris Causa en Ciencias por el Capitol College, Laurel, Maryland (2010); el premio Outstanding Alumnus of the Year del West Virginia State College (1999); y un Doctorado Honoris Causa en Derecho, por SUNY Farmingdale (1998).