Katharina Thoma studierte Klavier an der Musikhochschule Lübeck, bevor sie sich der Opernregie zuwandte. Sie war Regieassistentin am Staatstheater Kassel und an der Oper Frankfurt, wo sie u.a. Richard Jones, Christof Loy und Keith Warner assistierte. 2007 wurde sie beim Europäischen Opernregiepreis der Camerata Nuova ausgezeichnet; seit 2008 arbeitet sie als freischaffende Regisseurin. Sie inszenierte u.a. an der Malmö Opera (Vanessa), der Oper Frankfurt (La finta giardiniera von Mozart), dem Theater Nordhausen (Eugen Onegin), bei der Münchner Biennale (Piero - Ende der Nacht von Joneleit, Koproduktion mit der Oper Frankfurt), an der Volksoper Stockholm (Madame Butterfly), am Staatstheater Kassel (Die Zauberflöte) sowie an der Oper Dortmund (Eliogabalo von Cavalli und La Bohème), wo sie seit der Spielzeit 2011/12 konstant als Regisseurin tätig ist. Im Frühjahr 2013 wird sie die Eröffnungspremiere des renommierten englischen Glyndebourne Festival inszenieren. Von 2008 bis 2012 unterrichtete Katharina Thoma szenische Gestaltung an der Musikhochschule Mainz und inszenierte im Rahmen dieser Tätigkeit u.a. Puccinis Gianni Schicchi und die Kammeroper Wir sind daheim von Moritz Eggert.