Schon vor Beginn ihres Studiums sang sie im Bayerischen Landesjugendchor und im Deutschen Jugendkammerchor. Als Sopranistin weist Katharina Großmann eine rege Konzerttätigkeit im In- und Ausland vor. Neben ihren solistischen Engagements singt sie in Ensembles wie dem ChorWerk Ruhr, dem Kammerchor Stuttgart, dem Deutschen Kammerchor, der Schola Heidelberg und dem Athesinus Consort und arbeitet dort mit Dirigenten wie Peter Dijkstra, Frieder Bernius, Mariss Jansons und Jukka-Pekka Saraste.

Zu Beginn der Spielzeit 2016/17 übernahm Katharina Großmann die Vertretung des Chordirektors am Landestheater Coburg. In der darauffolgenden Spielzeit war sie als Chordirektorin in einer „Don Giovanni“-Produktion des Basler Kammerorchesters mit Erwin Schrott und dem Deutschen Kammerchor auf Europa-Tournee. Bis 2022 war sie künstlerische Leiterin des Waiblinger Vocalensembles. Weiterhin dirigierte sie Projekte mit dem Deutschen Kammerchor und dem Philharmonia Chor Stuttgart. Seit 2021 ist sie künstlerische Leiterin des ensemble octavox.