Lors des Championnats du monde à Doha, elle débute son heptathlon en battant son record personnel sur le 100 m haies en 13 s 09 et se classe du classement général. Au saut en hauteur, elle passe la barre de 1,95 m mais rate ses trois sauts à 1,98 m. Cette performance devient la meilleure performance des championnats du monde dans un heptathlon. Avec un troisième lancer à 13,86 m, elle termine du lancer du poids. Elle termine la première journée à la première place provisoire en gagnant le 200 m avec un temps de 23 s 08. Elle possède alors 96 points d'avance sur la deuxième, la championne du monde en titre, Nafissatou Thiam. Au saut en longueur, première épreuve de la deuxième journée, Katarina Johnson-Thompson saute à 6,77 m, ce qui lui offre une avance de 216 points sur la deuxième du classement général. Avant-denière épreuve de l'heptathlon, la Britannique bat son record personnel avec un jet à 43,93 m et possède toujours 137 points d'avance sur la deuxième. Pour conclure, elle court son 800 m en 2 min 07 s 26, son record personnel, et remporte l'heptathlon avec 6 981 points, meilleure performance mondiale de l'année. La deuxième au classement, la Belge Thiam, possède 304 points de moins qu'elle, ce qui constitue la plus grande différence entre les deux premières de l'heptathlon depuis les Championnats du monde 1987. Elle remporte alors son premier titre international en plein air et bat le record du Royaume-Uni de l'heptathlon, détenu jusqu'ici par Jessica Ennis-Hill.