Katharina Molitor wechselte 2003 zu Bayer Leverkusen, wo sie sich unter Helge Zöllkau auf den Speerwurf spezialisierte. 2005 wurde sie bei den U23-Europameisterschaften mit 57,01 m Zweite hinter Annika Suthe. 2007 belegte sie bei der Universiade in Bangkok mit 58,19 m den sechsten Platz. Im März 2008 wurde Molitor beim Winterwurf-Europacup Zweite mit 58,26 m. Am 24. Mai 2008 verbesserte sie ihre Bestleistung in Halle auf 61,74 m. Weil sie im Gegensatz zu Linda Stahl zweimal die Qualifikationsweite für die Olympischen Spiele übertraf, wurde Molitor als dritte deutsche Speerwerferin, neben Christina Obergföll und Steffi Nerius, für die Olympischen Spiele 2008 nominiert, obwohl sie bei den Deutschen Meisterschaften nur Vierte hinter Stahl geworden war. In Peking kam sie nachträglich auf Platz sieben.