Käthe Frankenthal war die Tochter der jüdischen Gemeinde von Kiel. Sie legte 1909 das Abitur ab und begann danach mit dem Studium der Medizin an den Universitäten Kiel, Heidelberg, Erlangen, Freiburg, Wien und München, welches sie am 18. September 1914 mit einer Promotion an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel abschloss. Sie gehörte zu den ersten Frauen, die an einer deutschen Universität das medizinische Staatsexamen ablegten. Bis Anfang 1918 diente Käte Frankenthal in Frontlazaretten auf dem Balkan. Von dort kehrte sie nach Berlin zurück.

Noch während des Krieges wurde sie Mitglied der SPD. 1923 trat sie aus der jüdischen Gemeinde aus. Sie erhielt 1918 eine Anstellung als Assistenzärztin an der Berliner Charité, wo sie bis 1924 arbeitete. Nebenher betrieb sie eine Praxis, in der sie Ehe- und Sexualberatung durchführte und als engagierte Gegnerin des gesetzlichen Verbots des Schwangerschaftsabbruchs (§ 218) kostenlos Verhütungsmittel verteilte. Politisch engagierte sie sich zunächst in der SPD, wo sie zum linken Flügel gehörte. Sie war Gesundheits- und Wohlfahrtsdeputierte, arbeitete im Haushaltsausschuss mit und gehörte dem Parteivorstand an. 1931 rückte sie als Abgeordnete ein Jahr vor Ende der Legislaturperiode in den Preußischen Landtag nach und trat im Dezember des Jahres zur neu gegründeten Sozialistischen Arbeiterpartei Deutschlands (SAP) über. Hier wurde sie im Frühjahr 1932 in den Parteivorstand gewählt, engagierte sich für eine sozialistische Gesundheitspolitik.

Nach der Machtergreifung durch die Nationalsozialisten wurde sie entlassen. Schon Ende März 1933 verließ sie NS-Deutschland und kam über Prag, Zürich und Paris schließlich 1936 nach New York City. In New York absolvierte sie eine Lehranalyse bei dem Psychoanalytiker Harry Stack Sullivan und betrieb bis ins hohe Alter eine eigene psychoanalytische Praxis.