Katarzyna Kobro suit des études de sculpture à l’École de peinture, sculpture et architecture de Moscou en 1917, à la veille de la révolution, puis, en 1918, au sein des Ateliers d’État d’art libre de la ville. En 1920, elle s’installe à Smolensk où s’est établie une communauté artistique active autour de Kazimir Malevitch (1878-1935). Là, elle enseigne la sculpture à l’École de céramique et dessine des décors de théâtre et des affiches. En 1921, elle épouse le peintre Władysław Strzemiński (1893-1952) et organise avec lui la branche locale d’UNOVIS, groupement d’artistes russes dirigé initialement par K. Malevitch. En 1922, le couple quitte l’Union soviétique pour la Pologne et s’installe dans la ville industrielle de Łódź, où l’exercice de leur art, leurs écrits théoriques et leur travail d’organisation pour la promotion de l’art moderne font d’eux des personnalités clés de l’avant-garde polonaise. Entre 1924 et 1927, K. Kobro est cofondatrice et membre des plus importants groupements artistiques nationaux et internationaux : Blok, le groupe des artistes d’avant-garde (Varsovie 1924), Praesens (1926), Awangarda rzeczywista (1929) et Abstraction-Création (Paris, 1931), ainsi que signataire de nombreux manifestes, dont le Manifeste dimensioniste (1936). À partir de 1930, elle participe à l’élaboration de la collection d’art moderne de Łódź qui, ouverte en 1931, devient la deuxième collection d’art moderne après celle de Hanovre. Jusqu’à la déclaration de la guerre, elle enseigne la décoration d’intérieur. La période la plus productive de sa vie se situe entre 1922 et 1939. C’est au cours de ces années qu’elle réalise ses célèbres compositions spatiales, combinaisons de structures rigoureusement architecturales, de formes sculpturales et d’esthétique constructiviste.

En 1931, elle publie, avec W. Strzeminski, une importante contribution au débat avant-gardiste sur l’art : Kompozycja przestrzeni. Obliczanie rytmu czasoprzestrzennego [« Composition spatiale. Calcul du rythme spatio-temporel »]. Aux années de guerre, passées presque entièrement à Łódź, succèdent celles d’austérité. En 1946, elle se voit refuser le statut de membre de l’Association des artistes polonais, ce qui, au regard de la nouvelle situation politique et l’institutionnalisation de la pratique artistique par l’État, signifie qu’elle n’est pas autorisée à vivre de son art. En 1947, elle se sépare de W. Strzeminski. Dans l’impossibilité de trouver un emploi permanent, elle subvient aux besoins de sa famille en faisant des jouets en feutrine et enseigne brièvement. En 1949, à la suite d’accusations politiques, elle est condamnée à une peine de prison qui sera révoquée après appel. Seules quelques-unes de ses œuvres d’avant-guerre ont survécu, dont elle a presque totalement fait don au musée d’Art de Łódź en 1945. En 1956, après le « dégel » politique, la première exposition rétrospective de son œuvre a lieu au Muzeum Sztuki de Łódź, œuvre depuis lors objet de fréquentes recherches et expositions.