Katarzyna Piłocik war Fünfte der Kadetteneuropameisterschaften 2002 in der Gewichtsklasse bis 57 Kilogramm. Ab 2004 kämpfte sie im Mittelgewicht, der Gewichtsklasse bis 70 Kilogramm. Im September 2004 belegte sie bei den Junioreneuropameisterschaften den zweiten Platz hinter der Ungarin Anett Mészáros. Einen Monat später gewann sie eine Bronzemedaille bei den Juniorenweltmeisterschaften. Der Durchbruch bei den Erwachsenen gelang ihr bei den Europameisterschaften 2007 in Belgrad, als sie die Silbermedaille hinter der Französin Gévrise Émane erkämpfte. Bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking schied sie in der ersten Runde nach 2:12 Minuten gegen Ronda Rousey aus den Vereinigten Staaten aus.