Katarina Karnéus vann Cardiff Singer of the World–tävlingen år 1995 och har sedan dess uppträtt på världens främsta operascener och konserthus. 2018 utnämndes hon till hovsångerska. Karnéus gjorde sin svenska operadebut på GöteborgsOperan, som Octavian i Rosenkavaljeren, för vilken hon fick Tidskriften Operas pris. Därefter engagerad vid GöteborgsOperan sedan 2012. Här har vi bl.a. sett henne som Donna Elvira i Don Giovanni, Fricka i Rhenguldet, Brangäne i Tristan och Isolde, Orfeus i Orfeus och Eurydike, Kvinnan i Schönbergs Erwartung och Madame Sebastian i Notorious samt Drottning Gertrud i Hamlet, Klytaimnestra i Elektra, Octavian i Rosenkavaljeren, Ruggiero i Händels Alcina och Nicklausse i Hoffmanns äventyr. För sin tolkning av titelrollen i Norma fick hon Svenska Dagbladets Operapris 2018.
1999 debuterade hon på Metropolitan som Varvara i Katja Kabanova följt av Olga i Eugen Onegin, Siebel i Faust och Rosina i Barberaren i Sevilla. Andra roller att nämna är Herodias i Salome och Kundry i Parsifal på Opera North, Claire i Besök av en gammal dam på Theater an der Wien, Annio i Titus mildhet på Royal Opera House och Bayerische Staatsoper, Grevinnan Geschwitz i Lulu på Bayerische Staatsoper, titelrollerna i Carmen på Opéra Comique och i Alceste på La Monnaie, Elisabetta i Maria Stuarda på Staatsoper unter den Linden, Donna Elvira på Covent Garden, Orfeus i Orfeus och Eurydike på Deutsche Oper i Berlin.
Hon har varit solist med orkestrar som Berlinfilharmonikerna, Clevelandorkestern och BBC:s Scottish Symphony Orchestra, och som romanssångerska har hon framträtt på bl.a. Wigmore Hall i London, Lincoln Center och Concertgebouw samt vid flera kungliga tillställningar på bl.a. Buckingham Palace och 10 Downing Street, vid flera av HM Drottning Silvias Childhood–konserter och Nobelprisutdelningen 2010.
Skivinspelningar omfattar bl.a. sånger av Sibelius och Grieg, R. Strauss och Mahler, orkestersånger av Szymanowski med Simon Rattle samt orkestersånger av Mahler med Göteborgs Symfoniker och Susanna Mälkki. På dvd har hon spelat in rollen som Brangäne i Tristan och Isolde med Nina Stemme som Isolde.
År 2010 vann Karnéus två Grammys för Mahlers åttonde symfoni med San Francisco Symphony Orchestra och 2015 mottog hon medaljen Litteris et Artibus av H.M. Konungen.