Katharina Hennig kam über Staffel-Olympiasiegerin Viola Bauer zum Langlauf. Katharinas Tante ist mit Viola befreundet. Beim gemeinsamen Grillen riet diese Katharina, doch mal beim Langlauftraining des SV Neudorf vorbeizuschauen. Katharinas erster Trainer war Viola Bauers ehemaliger Coach Joachim Gerstenberger.

In der 7. Klasse wechselte die Königswalderin aufs Sportgymnasium nach Oberwiesenthal. Nach dem Abitur 2015 trat sie der Sportfördergruppe Frankenberg bei.
Bei den Juniorinnen wurde Katharina 2016 Vizeweltmeisterin über 10 km Freistil! 2015 und 2013 hatte sie von den Juniorenweltmeisterschaften jeweils Staffel-Bronze mit nach Hause gebracht.

2016 debütierte die Sportsoldatin im Weltcup. 2017 feierte sie im schwedischen Ulricehamn mit der Staffel ihr erstes Weltcup-Podest. Im selben Jahr bestritt Katharina in Lahti (Finnland) ihre erste Senioren-WM. Dort lief sie in jedem ihrer Rennen unter die besten 30. Im Skiathlon landete sie auf dem hervorragenden 11. Rang!

2018 nahm Katharina in Korea an ihren ersten Olympischen Spielen teil. Bei der WM im darauffolgenden Winter wurde die Sächsin über 10km C Elfte. Insgesamt schaffte sie in der Saison 2018/19 mit fünf Top-10-Platzierungen über die Distanzen den Sprung in die erweiterte Weltspitze. Ihr stärkstes Format sind die 10 Kilometer im klassischen Stil.

In der Saison 2019/20 erreichte Katharina die erste Podestplatzierung seit 2015 in einem Distanzrennen für deutsche Damen. Im Rahmen der Tour de Ski belegte sie über 10 Kilometer im klassischen Stil im italienischen Val di Fiemme den 3. Platz! Die Tour de Ski beendete sie auf einem sehr guten 8. Rang in der Gesamtwertung. Unter anderem schaffte sie in zehn Wettkämpfen den Sprung unter die Top-15.

Katharina konnte ihr bisher bestes Karriereergebnis nochmals toppen: Sie wurde im Rahmen der Tour de Ski über 10km C in Val di Fiemme starke Zweite! Einmal mehr hat sie auch in der Saison 2020/2021 ihre Beständigkeit mit elf Top-15-Plazierungen unter Beweis gestellt. Wie in der Saison zuvor beendete Katharina die Tour de Ski 2020/2021 auf dem 8. Rang. Bei der Heim-WM in Oberstdorf lief sie mit der deutschen Damenstaffel auf den 5. Platz.

In der Saison 2021/22 sorgte Katharina schließlich für die große Sensation: Zusammen mit Victoria Carl wurde sie im Teamsprint Olympiasiegerin! Ein Sportmoment für die Ewigkeit! In bestechender Form gewann sie bei den Olympischen Spielen noch eine weitere Medaille: Staffel-Silber! Es sind die ersten Medaillen für das Langlaufteam seit 2014 in Sochi. Über 10 km in der klassischen Technik lief Katharina darüber hinaus auch noch auf den fünften Rang. Auch in Weltcuprennen sammelte sie viele Punkte, sodass sie in der Gesamtwertung am Ende Platz elf belegte. Gleich zu Beginn der Saison lief Katha in Ruka über 10 km KT aufs Podium (3. Rang). Insgesamt achtmal schaffte sie es unter die Top-10 in Weltcuprennen.

Auch in der Saison 2022/23 bewies die Wahl-Allgäuerin, dass sie endgültig in der absoluten Weltspitze angekommen ist: Insgesamt fünf Mal stand sie auf dem Weltcup-Podest, darunter ihr langersehnter erster Weltcupsieg über 15 km klassisch in Val di Fiemme im Rahmen der Tour de Ski. Diese Konstanz brachte Katharina einen starken siebten Rang im Gesamtklassement ein. Von den Weltmeisterschaften 2023 im slowenischen Planica konnte sie mit der deutschen Damen-Staffel nach Olympia erneut die Silbermedaille mit nach Hause nehmen. Eine weitere WM-Medaille verpasste sie mit Rang 4 im Skiathlon nur knapp.

Erste WC-Platzierung: 2016 Nove M. 7. Staffel
Erste WC-Top-10: 2018 Toblach 10./10 km F
Erstes WC-Podium: 2020 Val di Fiemme 3. 10 km C Mst
Erster Weltcupsieg: 2023 Val di Fiemme 15 km C Mst

Tour de Ski 2020: 8.
Tour de Ski 2021: 8.
Tour de Ski 2022: 9.
Tour de Ski 2023: 5.

Gesamtweltcup 2023: 7.

WM 2023 Planica 2 Staffel
WM 2023 Planica 4 Skiathlon
WM 2023 Planica 7 30 km C Mst
WM 2023 Planica 11 10 km F
OWS 2022 Peking 1 Team-Sprint
OWS 2022 Peking 2 Staffel
OWS 2022 Peking 5 10 km C
OWS 2022 Peking 15 Skiathlon
WM 2021 Oberstdorf 5 Staffel
WM 2021 Oberstdorf 18 30 km C Mst.
WM 2021 Oberstdorf 27 Sprint C
WM 2021 Oberstdorf 29 Skiathlon
WM 2019 Seefeld 4 Staffel
WM 2019 Seefeld 11 10 km C
WM 2019 Seefeld 16 Skiathlon
WM 2019 Seefeld 21 30 km F
OWS 2018 Pyeongchang 6 Staffel
OWS 2018 Pyeongchang 19 30 km C
OWS 2018 Pyeongchang 27 SP
OWS 2018 Pyeongchang 22 Skiathlon
WM 2017 Lahti 6 Staffel
WM 2017 Lahti 11 Skiathlon
WM 2017 Lahti 19 30 km F
WM 2017 Lahti 27 10 km C