Katja Lembke studierte von 1984 bis 1992 Klassische Archäologie, Ägyptologie und Latein am Leibniz-Kolleg (Studium generale) der Universität Tübingen, an der Universität München, den Universitäten La Sapienza und Gregoriana in Rom sowie an der Universität Heidelberg. 1992 wurde sie in Heidelberg bei Tonio Hölscher mit der Dissertation Das Iseum Campense in Rom promoviert. 1992/93 erhielt sie das Reisestipendium des Deutschen Archäologischen Instituts. Von 1994 bis 1996 arbeitete Lembke als Assistentin am Ägyptischen Museum Berlin. Danach leitete sie bis 2000 ein Projekt zur Dokumentation des Grabes des Siamun in der Oase Siwa, anschließend bis 2003 das Forschungsprojekt „Die Skulpturen aus dem Quellheiligtum von Amrit/Westsyrien“. 2002 begann sie zudem mit der Koordination des Teilprojektes „Ägyptisches Museum und Papyrussammlung“ des Projektes „Restaurierung und Baufreimachung Pergamonmuseum“, das bis 2004 lief. Von 2000 bis 2003 leitete sie das Forschungsprojekt „Die favissa des Herakles-Melqart-Heiligtums in Amrit“ im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Formen und Wege der Akkulturation im östlichen Mittelmeerraum und im Schwarzmeergebiet“. 2002 begann Lembke ihre zweijährige Tätigkeit als Sachverständige für Ägyptische Kunst des Bundesamts für Bauwesen und Raumordnung (BBR). Hier war sie insbesondere für die Planung der Restaurierung und Baufreimachung des Ägyptischen Museums im Neuen Museum zuständig.[1] Von 2005 bis 2011 war Lembke Leitende Direktorin und Geschäftsführerin der Roemer- und Pelizaeus-Museums Hildesheim GmbH. Während ihrer Amtszeit wurden zahlreiche kulturhistorische Ausstellungen (unter anderem „Kult um den Ball“ (2006), „Schönheit im Alten Ägypten. Sehnsucht nach Vollkommenheit“ (2006/07), „Maya. Könige aus dem Regenwald“ (2007/08), „Paradiese der Südsee. Mythos und Wirklichkeit“ (2008/09), „Zypern. Insel der Aphrodite“ (2010) und „Giza. Am Fuß der großen Pyramiden“ (2011)) sowie die Neuaufstellung der ägyptischen Dauerausstellung geplant und umgesetzt. Zudem lehrte sie zeitweise als Lehrbeauftragte am Institut für Klassische Archäologie der Universität Göttingen.
Zum 1. Mai 2011 wurde sie in Nachfolge von Jaap Brakke Leiterin des Niedersächsischen Landesmuseums in Hannover.[2]
Bereits 2004 initiierte sie das Forschungs- und Restaurierungsprojekt „Die Petosiris-Nekropole von Hermupolis/Tuna el-Gebel“, das 2004–2011 von der DFG, 2011–2014 vom DAAD, 2015–2018 von der Volkswagenstiftung und seit 2017 wieder von der DFG sowie aktuell vom Auswärtigen Amt gefördert wird. Seit 2015 ist Lembke Honorarprofessorin an der Universität Göttingen, an der sie bereits seit 2001 als Dozentin tätig ist. Von 2018 bis 2022 fungierte sie als Sprecherin des Forschungsprojektes „Provenienzforschung in außereuropäischen Sammlungen und der Ethnologie (PAESE) in Niedersachsen“, das von der VolkswagenStiftung gefördert und als Verbundprojekt mit den Universitäten Göttingen und Hannover, dem Landesmuseum „Natur und Mensch“ Oldenburg, dem Städtischen Museum Braunschweig sowie dem Roemer- und Pelizaeus-Museum Hildesheim durchgeführt wird. Seit 2021 leitet sie ein archäologisches Forschungsprojekt im ersten Konzentrationslager auf der Haifischinsel vor Lüderitz in Namibia.
Das Iseum Campense in Rom. Studie über den Isiskult unter Domitian (= Archäologie und Geschichte. Band 3). Verlag Archäologie und Geschichte, Heidelberg 1994, ISBN 3-9801863-2-6.
Die Skulpturen aus dem Quellheiligtum von Amrit. Studie zur Akkulturation in Phönizien (= Damaszener Forschungen. Band 12). von Zabern, Mainz 2004, ISBN 3-8053-3403-6.
Hannovers Nofretete. Die Bildnisse der Sent M´Ahesa von Bernhard Hoetger (= NahSichten. Band 2). Schnell & Steiner, Regensburg 2012, ISBN 978-3-7954-2627-9.
Das Grab des Siamun in der Oase Siwa. Ammoniaca II (= Archäologische Veröffentlichungen des Deutschen Archäologischen Instituts Abteilung Kairo. Band 115). Harrassowitz, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-447-10239-1.
Ikonen der Kunst – und wie sie zu dem wurden, was sie heute sind. Prestel, München 2021, ISBN 978-3-7913-8680-5.
als Herausgeberin: Die Haifischinsel. Das erste deutsche Konzentrationslager. Nünnerich-Asmus Verlag & Media, Oppenheim am Rhein 2023, ISBN 978-3-96176-242-2.