Nascida na cidade de Winston-Salem, Kathleen Baker vem de uma família de nadadores. Sua mãe foi nadadora universitária, assim como sua irmã mais velha. Baker começou a nadar ainda bem pequena em sua cidade natal fazendo parte da equipe da escola onde estudava. Em seguida passou a treinar no tradicional SwimMAC na Carolina do Norte. Em 2010, aos 13 anos, foi diagnosticada com Doença de Crohn, uma doença inflamatória intestinal. Tratada e curada, regressou aos treinos.
Em 2014 conseguiu chegar pela primeira vez a seleção americana principal, obtendo vaga para nadar a prova dos 200m costas no Campeonato Pan-Pacífico de Gold Coast. Porém, sua estreia foi bastante discreta com Baker não passando de um nono lugar e tendo que disputar a fina B da prova. No ano seguinte passou a integrar a equipe da Universidade da Califórnia de Berkley onde somou títulos e medalhas pelo time.
Conseguiu também se classificar para o Campeonato Mundial de Kazan-2015 e foi finalista nos 100m costas terminando em oitavo lugar. Também integrou o revezamento 4x100m medley, mas a equipe terminou em quarto fora do pódio. Mas o ano seguinte seria o ponto de virada da carreira de Baker, uma nadadora muito talentosa que falhava no momento decisivo.
Após obter o índice olímpico para os 100m costas, a nadadora chegou ao Rio de Janeiro em 2016 como uma estrela em ascensão e com boas chances de medalha. E elas vieram, primeiro uma prata nos 100m costas onde foi a mais veloz nas eliminatórias e semifinal, mas perdeu o ouro para a húngara Katinka Hosszu. E depois no último de competições, levou um ouro com o revezamento 4x100m medley.
As duas próximas temporadas seriam mágicas para a americana. Em 2017 ganhou três medalhas no Campeonato Mundial de Budapeste, sendo uma da cada cor. O destaque veio para o 4x100m medley que bateu o recorde mundial. Em 2018 bateu o recorde mundial dos 100m costas com o expressivo tempo de 58s00 durante o Campeonato Americano e meses depois conquistou quatro medalhas no Campeonato Pan-Pacífico de Tóquio.
Mas em 2019 Baker teve uma queda de rendimento e viu uma nova concorrente aparecer: Regan Smith. A jovem americana bateu os recordes mundiais dos 100m e 200m costas e firmou-se como principal nadadora do país neste estilo. Além dela, Baker ainda tem a concorrência de Olivia Smoliga, que fazem a ex-recordista mundial ter que treinar duro para conseguir uma vaga no tão cobiçado time americano para os Jogos de Tóquio.
