Em 1953 Katherine inscreve-se no programa de recrutamento para a NASA e foi aceite. No entanto, vivia-se um período nos EUA de segregação, onde existia separação entre pessoas negras e brancas, seja nas casas de banho, nos sítios de alimentação e até nos locais laborais. A matemática destacou-se na NASA por ter calculado trajetórias de voo das missões mais relevantes que foram realizadas naquela época, incluindo da missão Apollo 11. Também foi co-autora de 26 artigos científicos e os seus estudos detém um impacto significativo na ciência espacial. A 24 de novembro de 2015 recebeu a Medalha Presidencial da Liberdade e está na lista das cem mulheres mais influentes da BBC, desde 2016.