Z polityką związana jest od wczesnych lat 90. Od 1993 roku była działaczką Unii Demokratycznej, następnie od 1994 roku związała się z Unią Wolności. Była członkinią ostatnich władz krajowych Unii Wolności a po jej przekształceniu w 2005 roku weszła w skład władz krajowych Partii Demokratycznej – demokraci.pl. Jednocześnie w latach 1998–2002 pełniła funkcję radnej miasta Łodzi.
W roku 2015 związała się z partią Nowoczesna – ugrupowaniem o charakterze centrowym oraz gospodarczo i obyczajowo liberalnym. Z jej ramienia w 2015 roku wystartowała do Sejmu w okręgu łódzkim (na pierwszym miejscu na liście) i uzyskała mandat posłanki VIII kadencji. Jako posłanka na Sejm została zastępcą przewodniczącego Komisji Edukacji, Nauki i Młodzieży. Pracowała też w Komisji Regulaminowej, Spraw Poselskich i Immunitetowych (2017 rok) oraz w Komisji Etyki Poselskiej (2017 rok). Obecnie zasiada w Komisji Edukacji, Nauki i Młodzieży.
W 2016 roku Lubnauer została wiceprzewodniczącą ugrupowania Nowoczesnej. Od stycznia do maja 2017 roku była też jego rzecznikiem prasowym. Następnie w kwietniu 2017 roku została przewodniczącą w klubu poselskiego a 25 listopada 2017 roku wybrana została na przewodniczącą ugrupowania, pokonując tym samym Ryszarda Petru. W styczniu 2018 roku na stanowisku przewodniczącej klubu poselskiego zastąpiła ją Kamila Gasiuk-Pihowicz.
W lutym 2019 roku Katarzyna Lubnauer i inni liderzy partii opozycyjnych: Grzegorz Schetyna (Platforma Obywatelska), Władysław Kosiniak-Kamysz (Polskie Stronnictwo Ludowe), Włodzimierz Czarzasty ( Sojusz Lewicy Demokratycznej) oraz współprzewodniczący Zielonych: Małgorzata Tracz i Marek Kossakowski podpisali deklarację o powołaniu Koalicji Europejskiej. Zgodnie z ustaleniami koalicjantów celem Koalicji Europejskiej jest skonstruowanie jednej wspólnej listy na wybory do Parlamentu Europejskiego.
Katarzyna Lubnauer jest też jedną z inicjatorek akcji „Świecka szkoła”. Jest to obywatelska inicjatywa ustawodawczej dot. zniesienia finansowania religii z budżetu państwa. W 2015 roku pod projektem ustawy udało się zebrać 150 tys. podpisów. Niestety do dnia dzisiejszego w komisji sejmowej leży ona w stanie zamrożenia. W związku z tym jesienią 2018 roku Nowoczesna przygotowała nowy projekt „Świeckiej szkoły” (po odejściu grupy posłów Nowoczesnej do Platformy Obywatelskiej konieczne było ponowne zebranie podpisów). Projekt został złożony w Sejmie 11 stycznia 2019 roku.
