Travaillant sur les manuscrits bibliques et leurs commentaires, son champ de recherche recouvre la notion d'humanisme dans la philosophie grecque et la pensée juive ancienne, la lecture juive du récit biblique de la conquête de Canaan par les Hébreux ou encore les façons dont a été pensée l'universalité de la loi juive.
Katell Berthelot, Le monothéisme peut-il être humaniste ?, Paris, Fayard, coll. « Bibliothèque de culture religieuse », , 266 p. (ISBN9782213622170).
Katell Berthelot, L’« humanité de l’autre homme » dans la pensée juive ancienne, Leyde-Boston, Brill, , 328 p. (ISBN9789004137974).
Katell Berthelot, Philanthrôpia judaica : Le débat autour de la « misanthropie » des lois juives dans l’Antiquité, Leyde-Boston, Brill, , 454 p. (ISBN9789004496507, lire en ligne).
Direction d’ouvrages
Pierre Savy (dir.), Katell Berthelot (dir) et Audrey Kichelewski (dir.), Histoire des Juifs : Un voyage en 80 dates de l'Antiquité à nos jours, Paris, Presses universitaires de France, , 608 p. (ISBN978-2-13-082072-7, lire en ligne).
(he) Katell Berthelot (dir.), Michaël Langlois (dir.) et Thierry Legrand (dir.) (trad. de l'hébreu), La bibliothèque de Qumrân, vol. III a : Torah — Deutéronome et pentateuque dans son ensemble, Paris, Cerf, , 456 p. (ISBN9782204087735).
Dionigi Albera (dir.) et Katell Berthelot (dir.), Dieu, une enquête : Judaïsme, christianisme, islam, ce qui les distingue, ce qui les rapproche, Paris, Flammarion, , 1036 p. (ISBN978-2-08-121448-4).
(he) Katell Berthelot (dir.) et Thierry Legrand (dir.) (trad. de l'hébreu), La bibliothèque de Qumrân, vol. II : Torah — Exode, Lévitique, Nombres, Paris, Cerf, , 456 p. (ISBN9782204087735).
(he) Katell Berthelot (dir.), Thierry Legrand (dir.) et André Paul (dir.) (trad. de l'hébreu), La bibliothèque de Qumrân, vol. I : Torah — Genèse, Paris, Cerf, , 589 p. (ISBN9782204083058, présentation en ligne).
Gérard Delteil, « Katell Berthelot », in Patrick Cabanel et André Encrevé (dir.), Dictionnaire biographique des protestants français de 1787 à nos jours, tome 1 : A-C, Les Éditions de Paris Max Chaleil, Paris, 2015, p. 265-266 (ISBN978-2846211901)
Charline Zeitoun, Katell Berthelot. Une histoire de religion, in CNRS, Le journal, no 239, , article en ligne