Tytuł Bachelor of Science (licencjat) otrzymała tam w 1922 roku, a w 1924 – tytuł magistra na University College London.
Działalność naukowa Począwszy od 1922 Kathleen była asystentką Williama Henry'ego Bragga, najpierw w University College, a następnie w Royal Institution. Jej oficjalne zatrudnienie przerwało na krótko małżeństwo (w 1929 roku) z Thomasem Jacksonem Lonsdale'm i urodzenie trójki dzieci, ale kontynuowała pracę naukową w domu. W 1929 jej prace rentgenograficzne nad pochodnymi benzenu pozwoliły na ustalenie płaskiej, heksagonalnej struktury związków aromatycznych. Stanowisko profesora uzyskała w 1949 roku w University College London. Oprócz krystalografii, zajmowała się między innymi spektroskopią rozproszeniową ciał stałych. Opracowała techniki pozwalające na poznanie struktur różnego typu diamentów, przemiany grafitu w diament i innych reakcji w ciele stałym. Pod koniec aktywności naukowej zajmowała się zastosowaniem technik krystalograficznych w medycynie, między innymi w badaniach kamieni moczowych.