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Katharina Lorenz est fille du musicien et peintre Peter Lorenz et la petite-fille de l'artiste de Leverkusen Kurt Lorenz(de).
Katharina Lorenz prend des cours de ballet et de danse dès son enfance puis commence sa carrière d'actrice au Junges Theater de Leverkusen. Après avoir étudié le théâtre de 1999 à 2002 à l'école Otto Falckenberg de Munich, elle obtient un engagement au Munich Kammerspiele. Pendant ce temps, elle monte également sur scène pour la première fois dans La Nuit des rois de William Shakespeare. Après trois ans, Katharina Lorenz devient membre permanent du Hanover Theatre, où elle reçoit des critiques positives à très bonnes pour ses rôles principaux, tels que Viola dans La Nuit des rois.
En plus de son travail au théâtre, Katharina Lorenz joue également dans plusieurs téléfilms qui se distinguent souvent par des acteurs de premier plan. Dans le drame Du gehörst mir (ZDF) elle joue le rôle de la journaliste et épouse Melanie aux côtés de Tobias Moretti. Dans le long métrage La Ligne de cœur (Kammerfibrillern), elle joue aux côtés d'Ulrich Noethen, Bibiana Beglau et Rosel Zech. Lorenz est aussi vue dans le rôle principal de la série ARD Der Tel-Aviv-Krimi(de) dans le rôle de Sara Stein, une détective berlinoise aux racines juives. La première diffusion de l'épisode pilote Death in Berlin dans le programme principal du soir de l'ARD a lieu le [2].