Pendant plusieurs années, Katherine a travaillé comme calculatrice humaine ; la jeune Afro américaine était alors diplômé en mathématiques et avait des réflexes dignes d'un ordinateur.
Plus tard, elle contribue aux programmes aéronautiques et spatiaux du National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) puis de la National Aeronautics and Space Administration (NASA).
Réputée pour la fiabilité de ses calculs en navigation astronomique, elle conduit des travaux techniques à la NASA qui s'étalent sur des décennies. Durant cette période, elle calcule et vérifie les trajectoires, les fenêtres de lancement et les plans d'urgence de nombreux vols du programme Mercury, dont les premières missions de John Glenn et Alan Shepard, et des procédures de rendez-vous spatial pour Apollo 11 en 1969 jusqu'au programme de la navette spatiale américaine. Ses calculs furent essentiels à la conduite effective de ces missions. Elle travaille enfin sur une mission pour Mars.
