Die Europameisterschaften 2015 wurden im Rahmen der Europaspiele 2015 in Baku ausgetragen. Katarzyna Kłys verlor im Viertelfinale gegen Bernadette Graf, erreichte aber mit einem Sieg über Juliane Robra aus der Schweiz den Kampf um Bronze. Nach ihrer Niederlage gegen die Deutsche Szaundra Diedrich belegte sie den fünften Platz. Bei den Weltmeisterschaften in Astana schied sie im Achtelfinale gegen Kim Polling aus. Im Mannschaftswettbewerb gewannen die Polinnen die Silbermedaille. Ende Oktober erkämpfte sie wie im Vorjahr einen dritten Platz in Abu Dhabi. 2016 schied sie bei den Europameisterschaften in Kasan in ihrem ersten Kampf gegen die Ungarin Szabina Gercsák aus. Im Mannschaftswettbewerb gewannen die Polinnen den Titel. Bei den Olympischen Spielen in Rio de Janeiro gewann Katarzyna Kłys in ihrem ersten Kampf gegen die Usbekin Gulnoza Matniyazova, im Achtelfinale unterlag sie der Spanierin María Bernabéu. Das letzte große Turnier ihrer Karriere bestritt Kłys vor polnischem Publikum bei den Europameisterschaften 2017 in Warschau. Nachdem sie im Viertelfinale gegen Barbara Matić verloren hatte, erreichte sie mit einem Sieg über Aleksandra Samardžić aus Bosnien-Herzegowina den Kampf um Bronze. Nach ihrer Niederlage gegen die Französin Marie-Ève Gahié beendete sie ihre Karriere mit einem fünften Platz.