Katharina Hedwig Mann war die Ehefrau des deutschen Schriftstellers Thomas Mann. Als einzige Tochter des Mathematikprofessors Alfred Pringsheim und der ehemaligen Schauspielerin Hedwig Pringsheim, geb. Dohm, wuchs sie mit vier Brüdern in äußerst wohlhabenden und liberalen Verhältnissen auf.  Von Katia Mann erschien 1974 eine bearbeitete erzählte Darstellung ihres Lebens unter dem Titel Meine ungeschriebenen Memoiren. Die Familie Pringsheim war jüdischer Herkunft; Katias Vater bezeichnete sich selbst aber als konfessionslos und ließ alle seine Kinder evangelisch taufen. Dennoch galten er und seine Nachkommen nach den nationalsozialistischen Rassengesetzen als Juden und wurden deshalb verfolgt. Alle Geschwister Katia Pringsheims ergriffen akademische Berufe. Die Villa der Familie galt bis Ende der 1920er Jahre als ein gesellschaftlicher Mittelpunkt Münchens. Zu den Dauergästen gehörten neben bekannten Persönlichkeiten aus Politik und Gesellschaft wie Walther Rathenau und Fanny zu Reventlow auch kulturelle Größen wie Else Lasker-Schüler und Hugo von Hofmannsthal.

Während ihre Brüder das Gymnasium besuchten, erhielt Katia  Privatunterricht und legte 1901 als erste Frau das Abitur in München ab. Von der Münchener Universität, an der ihr Vater lehrte, wurde ihr auf Antrag die Erlaubnis erteilt, Vorlesungen zu besuchen. Katia Pringsheim gehörte zu den ersten sogenannten aktiven Studentinnen und interessierte sich hauptsächlich für die naturwissenschaftlich-mathematischen Fächer, hörte jedoch auch Vorlesungen in Philosophie. Im Frühjahr 1904 lernte sie durch Vermittlung der gemeinsamen Bekannten Elsa Bernstein den sieben Jahre älteren Thomas Mann kennen. Innerhalb von fünfzehn Jahren wurden sechs Kinder, Erika (1905–1969), Klaus (1906–1949), Golo (1909–1994), Monika (1910–1992), Elisabeth (1918–2002) und Michael (1919–1977) geboren. 1907 hatten sich Thomas Manns Einkünfte bereits so weit verbessert, dass man neben der Stadtwohnung in München ein Wochenendhaus in der Nähe von Bad Tölz bauen konnte.

Im Sommer 1911 bekam Katia Mann Lungenbeschwerden und ging 1912 mit der Diagnose „geschlossene Tuberkulose“ zur Kur nach Davos. In den folgenden Jahren wiederholten sich regelmäßig und oft monatelang ihre Sanatoriumsaufenthalte im Hochgebirge. Ihre Briefe aus Davos und Arosa, wo sie im Waldsanatorium einen Teil ihrer Kur verbrachte, inspirierten Mann zu seinem Roman Der Zauberberg. Ihre Kinder blieben währenddessen in München und wurden von Kindermädchen betreut. Den Ersten Weltkrieg erlebte Katia Mann mit ihrer Familie in München. Thomas Mann war für den Kriegsdienst zwar für untauglich erklärt worden, aber seine Einnahmen waren rückläufig. Auch die Nachkriegsjahre wurden mit immerhin nun sechs Kindern aufgrund der allgemeinen Wirtschafts- und Versorgungslage zunächst nicht einfacher. Thomas Manns  Einkommen, insbesondere die Einnahmen aus ausländischen Buchverkäufen, ermöglichten der Familie weiterhin einen vergleichsweise guten Lebensstandard. Katia Mann begleitete Thomas Mann in dieser Zeit regelmäßig auf offiziellen Reisen. 

Von der Machtergreifung der Nationalsozialisten 1933 erfuhr das Ehepaar Mann während einer Erholungsreise in Arosa. Thomas Mann hatte sich mit seinem Appell an die Vernunft, einer Rede, die er 1930 im Berliner Beethovensaal hielt, gegen den Nationalsozialismus gewandt, und auch Erika und Klaus hatten sich noch im Januar 1933 bei der Premiere ihres politischen Kabaretts Die Pfeffermühle als im Sinne der Nationalsozialisten „deutschlandfeindlich“ gezeigt. Um einer Verhaftung zu entgehen, mussten die Ensemblemitglieder untertauchen. Erika und Klaus Mann warnten ihre Eltern brieflich und telefonisch vor einer Rückkehr nach Deutschland. Klaus Mann fuhr am 13. März nach Paris, während Erika die Joseph-Manuskripte ihres Vaters zusammenraffte und in die Schweiz abreiste, wo sie Thomas Mann die aus dem Elternhaus in München geretteten Manuskripte übergab. Das Haus in München wurde noch im selben Jahr beschlagnahmt und gegen Thomas Mann ein Schutzhaftbefehl erlassen. Als Zufluchtsort hatten Thomas und Katia Mann sich zunächst für Sanary-sur-Mer in Südfrankreich entschieden, bis sie sich schließlich für die folgenden fünf Jahre im Schweizer Küsnacht niederließen.

Dank Vermögenseinlagen im Ausland war ihre Existenzgrundlage weiterhin gesichert. Thomas Mann nahm 1934 seine Lesereisen wieder auf, und Katia Mann begleitete ihn mehrmals in die USA. 1936 wurde ihnen die deutsche Staatsbürgerschaft aberkannt. Für das Ehepaar Mann war die Aberkennung ein schwerer Schlag, doch mehr noch setzten Katia Mann familiäre Schwierigkeiten zu: Erika, Klaus und auch Michael hatten bereits zu dieser Zeit Alkohol- und Drogenprobleme, Monika litt an Depressionen und schrieb Katia „fatale“ Briefe wie Thomas Mann in seinem Tagebuch vermerkte.

Im März 1938 waren die deutschen Truppen in Österreich einmarschiert. Die Situation jüdischer Flüchtlinge hatte sich auch innerhalb der Schweiz verschärft, und auf ein verkürztes Einbürgerungsverfahren bestand trotz Thomas Manns Prominenz kaum Hoffnung. In dieser unsicheren Lage bot ein von Thomas Manns vermögender Gönnerin Agnes E. Meyer vermittelter Lehrauftrag der Princeton University die Möglichkeit, Europa zu verlassen. Am 17. September 1938 schifften sich Katia und Thomas Mann mit Elisabeth in Southampton auf dem Dampfer Nieuw Amsterdam Richtung USA ein und wurden dort begeistert empfangen. In Molly Shenstone, der Frau des Physikers Allen G. Shenstone, fand Katia Mann die Freundin ihres Lebens. Katia Manns Wunsch, den Ereignissen näher sein zu wollen, begründete sich auch in der Sorge um ihre Eltern, die sich noch in Deutschland aufhielten und erst am 31. Oktober 1939, einen Tag vor der Schließung der Grenzen, in Zürich eintrafen. Seinen Eltern und Elisabeth war Klaus dauerhaft in die USA gefolgt. Erika war die erste der Familie, die 1937 offiziell in die USA eingewandert war. Die übrigen lehnten eine Emigration zunächst ab. Golo kehrte im Sommer 1939 nach Zürich zurück, und Michael ließ sich nach seiner Hochzeit im März 1939 in London nieder. Monika war in Europa geblieben und heiratete ebenfalls im März in London. Nach Ausbruch des Zweiten Weltkriegs bemühte sich Katia Mann, alle Familienmitglieder ins amerikanische Exil in Sicherheit zu bringen. Michael erreichte unbehelligt im Januar 1940 mit dem Schiff Britannic New York, und Erika flog nach einer Kriegsberichterstattung über das massive Bombardement The Blitz für die BBC London im Oktober 1940 in die USA zurück. Golo war noch im Mai 1940 als Kriegsfreiwilliger nach Frankreich gegangen und dort interniert worden. Er erreichte mit Heinrich Mann und dessen Ehefrau Nelly sowie dem Ehepaar Werfel nach einer dramatischen Flucht zu Fuß über die Pyrenäen zunächst Lissabon. Von dort aus schifften sie sich auf die Nea Hellas ein und gingen am 13. Oktober 1940 in New York von Bord. Monikas Schiff, die City of Benares, war in der Nacht zum 18. September mitten auf dem Atlantischen Ozean von einem deutschen U-Boot versenkt worden, wobei ihr Ehemann Jenö Lányi sein Leben verloren hatte. Sie selbst kam als letztes von Katia Manns Kindern am 28. Oktober 1940 in New York an. 1941 starb Katia Manns Vater und ein Jahr später ihre Mutter in Zürich im Exil. Beide Todesnachrichten erhielt sie in Kalifornien, wohin sie im April 1941 gezogen waren. Thomas Mann hatte dort mit der Filmgesellschaft Warner Brothers einen Autorenvertrag abgeschlossen, der ihnen nicht nur die finanzielle Unterstützung ihrer Kinder, sondern auch den Unterhalt in Pacific Palisades ermöglichte.

Als die USA in den Krieg eintraten, meldeten Erika, Klaus und Golo sich trotz Missbilligung Katia Manns freiwillig zur amerikanischen Armee und leisteten bis Kriegsende ihren Dienst in Europa. Im April 1946 wurde Thomas Mann an der Lunge operiert. Ein Krebstumor war bei dem über Siebzigjährigen entfernt worden. Von dem Eingriff erholte er sich so gut, dass sie ein Jahr später auf Vortragsreise nach Europa gehen konnten. Erika kehrte 1948 in ihr Elternhaus zurück, um Thomas Mann als Sekretärin, Biographin, Nachlaßhüterin zu unterstützen. Sie begleitete ihre Eltern auch auf einer weiteren Vortragsreise nach Europa im Jahr 1949, während der in Stockholm die Nachricht eintraf, dass sich Klaus am 21. Mai in Cannes mit Tabletten das Leben genommen hatte. Dem Selbstmord gingen bereits mehrere Versuche voraus. Katia Mann war bereits 1942 an der Gebärmutter operiert worden, und 1950 folgte eine weitere Operation am Unterleib. Erika, durch den Tod ihres Bruders tief erschüttert, glitt weiter in ihre Drogensucht ab. Hinzu kamen 1951, angesichts des veränderten gesellschaftlichen und politischen Klimas der McCarthy-Ära, erste Überlegungen, nach Europa zurückzukehren. Mitte 1952 erreichten Katia und Thomas Mann Zürich und mieteten sich übergangsweise in Erlenbach nahe Küsnacht ein. Während sich in den USA das Interesse an dem Schriftsteller Thomas Mann allmählich verloren hatte, wurde er in der Schweiz, Deutschland und Italien nun wieder mit Ehrungen und Vortragsanfragen überhäuft, die koordiniert werden mussten. Im Juli 1955 klagte Thomas Mann im holländischen Seebad Noordwijk gegenüber Katia erstmals über Schmerzen im Bein. Er starb am 12. August 1955 im Kantonsspital in Zürich an den Folgen von Arteriosklerose. Katia Mann blieb mit Erika, die sich um Thomas Manns Nachlass sowie die literarischen Hinterlassenschaften von Klaus kümmerte, in dem Kilchberger Haus wohnen. Erika begleitete Katia Mann auch zu den seltener gewordenen öffentlichen Auftritten, da sie sich, anders als ihre Tochter, weiterhin lieber im Hintergrund hielt. Gesellschaftlich war es mit Thomas Manns Tod ruhiger um sie geworden. Im November 1962 wurde nach den hierfür erforderlichen zehn Jahren aus der US-Amerikanerin Katia Mann eine Schweizerin.  1969 starb Erika an einem Gehirntumor und wurde im Familiengrab in Kilchberg beigesetzt. Und nach Ehemann und zwei Kindern verlor Katia Mann 1972 mit ihrem Zwillingsbruder einen weiteren wichtigen Menschen.

1975 jährte sich der zwanzigste Todestag Thomas Manns, und Katia öffnete nach Ablauf der Sperrfrist seine Tagebücher. Michael übernahm auf Bitten seiner Mutter die Hauptvorbereitungsarbeit der Veröffentlichung. In der Silvesternacht 1976/1977 starb er an einer Kombination von Alkohol mit Barbituraten. Er wurde neben Vater und Schwester bestattet. Vor der inzwischen an Altersdemenz erkrankten Mutter, die damit ihr drittes von sechs Kindern überlebte, wurde sein Tod geheim gehalten. Am 25. April 1980 starb Katia Mann im 97. Lebensjahr. Sie wurde im Kilchberger Familiengrab beerdigt.