Sinh ra ở thành phố White Sulphur Springs, bang West Virginia (Mỹ) vào năm 1918, Johnson sớm bộc lộ năng khiếu toán học, tốt nghiệp trung học phổ thông sớm hơn bạn bè đồng trang lứa năm 14 tuổi.
Sau đó, bà tốt nghiệp xuất sắc trường Cao đẳng West Virginia State với bằng Toán học và tiếng Pháp năm 1937, dạy toán tại một trường công lập ở Virginia.
Nhà toán học Katherine Johnson làm việc tại trung tâm nghiên cứu của NASA.
Năm 1953, Johnson tham gia Ủy ban Cố vấn Quốc gia về Hàng không (NACA), sau này trở thành Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA). Bà là một trong số ít phụ nữ Mỹ gốc Phi được thuê làm "máy tính", thực hiện các phép tính phức tạp bằng tay cho nghiên cứu của cơ quan về hàng không và thám hiểm không gian.
Theo thông tin trên website NASA, thời điểm đó, không có máy tính như phiên bản ngày nay, vì vậy, các nhà toán học như Johnson chịu trách nhiệm thực hiện các phép tính phức tạp theo cách thủ công. Công việc của Johnson - phối hợp với các "máy tính" khác để xác minh và kiểm tra lại các phép tính của nhau, đảm bảo tính chính xác của dữ liệu.
Johnson được tin tưởng giao nhiệm vụ tính toán quỹ đạo cho các chuyến bay vào vũ trụ có người lái đầu tiên của NASA. Đặc biệt, các phép toán của bà mang tính quyết định đối với sự thành công của chuyến bay vòng quanh quỹ đạo Trái Đất của John Glenn trên tàu vũ trụ Friendship 7 ngày 20/2/1962. Đây là niềm tự hào to lớn của người Mỹ trong bối cảnh Liên Xô đã thống trị thám hiểm không gian bằng tàu vũ trụ có người lái trong một thời gian dài.
Trước đó, đích thân Glenn đã yêu cầu Johnson kiểm tra lại các phép tính và ông từ chối bay cho đến khi nhận được sự đảm bảo từ bà.
Điều này thể hiện sự tin tưởng và tôn trọng mà nhà du hành vũ trụ nổi tiếng dành cho Johnson bất chấp những sự nghi kỵ từ những nhà khoa học nam.
Công việc thầm lặng của bà ít được chú ý cho đến khi bà được trao tặng Huân chương của Tổng thống Mỹ năm 2015.
Ngoài ra, Johnson còn có những đóng góp đáng kể cho các lĩnh vực nghiên cứu vũ trụ khác. Bà từng làm việc trong chương trình Apollo dẫn đến cuộc đổ bộ đầu tiên của con người lên Mặt Trăng vào năm 1969. Ông Bill Barry, sử gia của NASA, đánh giá đóng góp quan trọng của Johnson như sau: “Nếu chúng ta muốn trở lại Mặt Trăng hay Sao Hỏa, chúng ta sẽ phải dùng công thức toán học của bà”.
Ngoài những đóng góp cho chương trình không gian, Johnson còn là người ủng hộ tận tụy cho giáo dục. Bà tin rằng giáo dục là chìa khóa mở ra các cơ hội và đạt được ước mơ của mỗi người. Bà làm việc không mệt mỏi để truyền cảm hứng và hỗ trợ thế hệ các chuyên gia STEM tiếp theo.
Tuy nhiên, trong suốt sự nghiệp, Johnson phải đối mặt với phân biệt đối xử và trở ngại đáng kể do giới tính và chủng tộc Mỹ gốc Phi. Bà là người phụ nữ, người da màu duy nhất trong phòng. Giai đoạn mới vào nghề, bà luôn nhận được ánh mắt coi thường của một số nam đồng nghiệp.
Năm 2016, một tòa nhà tại trụ sở NASA ở bang Virginia được đặt tên Katherine Johnson để vinh danh bà.
Nhà khoa học nữ cũng trải qua bi kịch cá nhân trước sự ra đi của người chồng đầu tiên - James Goble. Goble là cựu chiến binh trong Thế chiến II, giáo viên có chung niềm đam mê giáo dục với Johnson.
Cặp đôi có với nhau ba con gái, kết hôn được hơn một thập kỷ, Goble đột ngột qua đời. Johnson phải một mình nuôi dạy con cái trong khi làm việc toàn thời gian tại NASA. Bất chấp những thách thức đó, Johnson vẫn kiên trì và nuôi dạy 3 con thành người.
Trong những năm cuối đời, Johnson tiếp tục cống hiến cho khoa học và toán học. Năm 2015, bà nhận Huy chương vì Tự do của Tổng thống Mỹ.
"Cả cuộc đời, Katherine Johnson cống hiến cho việc nâng cao kiến thức của nhân loại và mở rộng ranh giới những gì chúng ta có thể đạt được với tư cách một con người", cựu Tổng thống Mỹ Barack Obama nhận định.
Năm 2019, bà được trao tặng Huy chương Vàng của Quốc hội Mỹ. Giải thưởng đã ghi nhận "công trình tiên phong của bà với tư cách một nhà toán học và vật lý, người có những tính toán rất quan trọng đối với chương trình đưa con người vào vũ trụ thời kỳ đầu của NASA. Di sản của bà tiếp tục truyền cảm hứng cho sự tiến bộ của phụ nữ và các nhóm thiểu số trong khoa học và công nghệ".
