Haar eerste grote overwinning bij de senioren vond plaats op de Europese indoorkampioenschappen van 2017, waar Klosterhalfen tweede werd op de 1500 m. In dezelfde race won de Britse Laura Muir de gouden medaille. Vervolgens legde zij op 8 juni de 1500 m af in een tijd van 3.59,30. Dit was de eerste keer dat een Duitse vrouw de 1500 m in minder dan 4 minuten liep sinds 1990. Op de Diamond League van Birmingham op 20 augustus 2017 werd Klosterhalfen tweede op de 3000 m in een tijd van 8.28,90. Deze tijd was een Duits nationaal record en een verbetering van haar persoonlijke record met 17 seconden.Van 4 tot 13 augustus 2017 vonden de wereldkampioenschappen in Londen plaats. In de reeksen van de 1500 m liep Klosterhalfen er de tiende tijd met 4.03,60, maar in de halve finales slaagde ze er niet in om zich te plaatsen voor de finale.