Nach einer Ausbildung zur Buchhändlerin studierte Kathrin Müller Kunstgeschichte und Geschichte in Hamburg und New York (mit einem Stipendium des Evangelischen Studienwerks e.V.). Von 2003 bis 2005 war sie Predoctoral Research Scholar am Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin (mit Stipendien der Gerda Henkel Stiftung und des Evangelischen Studienwerks). 2006 Promotion an der Universität Hamburg mit einer Arbeit über astronomische und kosmologische Diagramme des Hochmittelalters. 2006 bis 2009 wissenschaftliche Assistentin am Kunsthistorischen Institut in Florenz/Max-Planck-Institut. 2009 bis 2016 Akademische Rätin auf Zeit am Kunstgeschichtlichen Institut der Goethe-Universität Frankfurt am Main. 2018 Habilitation mit einer Arbeit über spätmittelalterliche Tierdarstellungen. Seit September 2017 Professorin für Bildkulturen des Mittelalters an der Humboldt-Universität zu Berlin.