Ngày 2/2/2008, Katharine kết hôn với Nick Cokas tại nhà thờ Beverly Hills Presbyterian. Ngày 22/5/2014, người phát ngôn của cô thông báo rằng cô đã đệ đơn ly hôn với Nick Cokas "sau một thời gian ly thân". Tin về việc ly hôn phát tán chỉ sau 7 tháng việc Katharine bắt gặp đang hôn đạo diễn đã có gia đình của loạt phim Smash là Michael Morris. Đơn ly hôn được chấp thuận vào ngày 8/2/2016.

Katharine từng hẹn hò 2 năm với bạn diễn loạt phim Scorpion là Elyes Gabel. Cả hai chia tay vào năm 2016.

Cô vừa mới đính hôn với nhà sản xuất nhạc 68 tuổi David Foster vào tháng 6/2018.