Harvati hat die Erforschung menschlicher Fossilien entscheidend weiterentwickelt, indem sie Feldforschung mit modernsten computergestützten, bildgebenden Techniken der 3D-Morphologie kombinierte. So trug sie zur Klärung der Artenzugehörigkeit des Neandertalers bei, aber auch zur Beschreibung und Analyse der frühesten modernen Menschen. Mit von ihrem Team entwickelten Methoden gelang ihr zudem die Rekonstruktion vergangener Verhaltensmuster und die Widerlegung der Vorstellung, Neandertaler seien grobschlächtige Wesen mit einem unterlegenen Verhaltensrepertoire gewesen.
In der Feldforschung konzentrierte sich die Paläoanthropologin auf die bisher wenig erforschte Region Südosteuropa. Hier konnte sie unter anderem für Fossilfunde aus Griechenland nachweisen, dass dort schon vor 210.000 Jahren frühe moderne Menschen siedelten. Diese hatten Europa somit rund 150.000 Jahre früher erreicht, als bislang angenommen.
Katerina Harvati-Papatheodorou wurde 2001 an der City University of New York promoviert. 2004 wechselte sie an das Max-Planck-Institut für Evolutionäre Anthropologie in Leipzig. Seit 2009 ist sie an der Universität Tübingen als Professorin für Paläoanthropologie tätig und gehört zum später gegründeten Senckenberg Centre for Human Evolution and Palaeoenvironment. Zu ihren zahleichen eingeworbenen Drittmittelprojekten zählen ein Starting Grant und ein Consolidator Grant der des europäischen Forschungsrates (ERC). Sie ist zudem Co-Sprecherin der DFG-geförderten For-schungsgruppe »Words, Bones, Genes, Tools: Tracking Linguistic, Cultural and Biological Trajectories of Human Past.«
Der Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis ist der wichtigste Forschungsförderpreis in Deutschland und wird seit 1986 jährlich von der Deutschen Forschungsgemeinschaft verliehen. Ziel des Leibniz-Programms ist es, die Arbeitsbedingungen herausragender Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu verbessern, ihre Forschungsmöglichkeiten zu erweitern, sie von administrativem Arbeitsaufwand zu entlasten und ihnen die Beschäftigung besonders qualifizierter jüngerer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu erleichtern.