Karl-Heinz Krause obtient un diplôme et un doctorat de médecine à la Ludwig-Maximilians-Universität de Munich, puis se spécialise en médecine interne et en maladies infectieuses à Genève. Il passe également deux ans aux États-Unis pour effectuer un «infectious disease fellowship» en recherche et clinique à l’Université d’Iowa. A la Faculté de médecine de l’UNIGE, il gravit rapidement les échelons académiques: privat-docent en 1993, professeur associé en 1998, et, en 2001, il est nommé professeur ordinaire sur un financement de la Fondation Louis-Jeantet. Dès 2005, il rejoint le Département de pathologie et immunologie. A la fois médecin et chercheur, il a en outre été médecin-chef des services médico-techniques du Département hospitalier de gériatrie, et est depuis 2005 chef du laboratoire de thérapie cellulaire expérimentale des HUG. 

Karl-Heinz Krause travaille d’abord dans le domaine des maladies infectieuses — plus particulièrement dans la biologie du neutrophile — avant d’amorcer un tournant vers les mécanismes moléculaires et la thérapie des maladies liées à l’âge. Ses principaux domaines de recherche sont les NADPH-oxydases génératrices d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), dont il a été parmi les premiers à mettre en évidence les mécanismes physiologiques, ainsi que les neurones dérivés de cellules souches pluripotentes. Dans le domaine des cellules souches, il travaille également au développement de tissus neuronaux artificiels. Très actif dans la valorisation industrielle, il a déposé de nombreux brevets et a co-fondé plusieurs startups, dont GENKYOTOX (développement d’inhibiteurs de la NADPH oxydase), Neurix (tissus neuraux dérivés de cellules souches pluripotentes), ou encore Antion Biosciences, dont le développement des minigènes thérapeutiques ont permis de signer un partenariat avec l’une des plus grandes entreprises développant des thérapies cellulaires. Lauréat de nombreux prix, il est aussi membre de l’Académie suisse des sciences médicales, de l’American Society for Clinical Investigation et du Conseil scientifique du FNS de 2000 à 2010. Il est nommé professeur honoraire en octobre 2023.