Bei der bayerischen Landtagswahl vom 15. September 2013 wurde sie erstmals in den Landtag gewählt. Sie erreichte als Direktkandidatin im Stimmkreis München-Milbertshofen 13,6 % der Erststimmen und lag damit hinter den Kandidatinnen von CSU und SPD. Nach dem fünften Platz auf der grünen Liste für den Wahlkreis Oberbayern landete sie mit den Gesamtstimmen schließlich auf dem siebten Platz, womit sie den Einzug in den Landtag schaffte. Katharina Schulze war bei der konstituierenden Sitzung des 17. Bayerischen Landtags am 7. Oktober 2013 zusammen mit Judith Gerlach (CSU) als eine der beiden jüngsten Abgeordneten Schriftführerin. Im 17. Bayerischen Landtag war sie stellvertretende Vorsitzende und Sprecherin für Inneres, Sport und Strategien gegen Rechtsextremismus der grünen Fraktion im Bayerischen Landtag. Sie vertrat die Fraktion im Ausschuss für kommunale Fragen, Innere Sicherheit und Sport sowie im Ausschuss für Verfassung, Recht und Parlamentsfragen, außerdem im Kuratorium der Hochschule für Politik München (HfP), im HfP Reformbeirat und im Landessportbeirat sowie dem Parlamentarischen Kontrollgremium. Im Februar 2017 wurde sie zur Vorsitzenden der Landtagsfraktion als Nachfolgerin von Margarete Bause gewählt.