Käte Strobel wuchs in einer sozialdemokratisch und gewerkschaftlich geprägten Nürnberger Schuhmacherfamilie auf. Sie besuchte nach der Volksschule zwei Jahre eine Handelsschule und arbeitete seit 1923 als Bürokraft in einem Obst- und Gartenbauverband. 1921 trat sie in die Arbeiterjugend der USDP ein, wurde 1925 Mitglied der SPD und der sozialdemokratischen Organisation „Kinderfreunde“, wo sie auch ihren späteren Mann kennenlernte. Während der NS-Zeit beteiligten sich Hans und Käte Strobel an der Verbreitung verbotener sozialdemokratischer Schriften.

1949 wurde Käte Strobel in den deutschen Bundestag gewählt, dem sie bis 1972 angehörte, 1961–66 als Mitglied des SPD-Fraktionsvorstands. 1958–66 war Käte Strobel zudem Abgeordnete im Europ. Parlament, 1962–64 dessen Vizepräsidentin sowie 1964–66 Vorsitzende der europäischen sozialdemokratischen Fraktion. Bis 1986 war Käte Strobel im Wirtschafts- und Sozialausschuß der EG aktiv. Käte Strobel war Mitglied des SPD-Parteivorstands (1958–73) und des Parteipräsidiums (1966–71) sowie später Vorsitzende der Bundesschiedskommission und des Seniorenrats der SPD.

Im Bundestag engagierte sich Käte Strobel zunächst in der Verbraucher-, Preis- und Agrarpolitik, in diesen Bereichen arbeitete sie auch auf europäischer Ebene. In der Regierung Willy Brandts war Käte Strobel, die in den 1960er Jahren gehörte sie zum engen Führungskreis der SPD. Sie übernahm in der großen Koalition (1966–69) das Gesundheitsministerium, das in der sozial-liberalen Koalition (1969–72) unter ihrer Leitung mit dem Bundesfamilienministerium verbunden wurde.

Im kompetenzarmen Gesundheitsministerium schuf sie sich durch die Einrichtung neuer Institutionen (Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung) Handlungsspielraum, den sie, die als Jugendliche aus der ev. Kirche ausgetreten war und sich schon in der Weimarer Zeit in einem Verein für Sexualhygiene engagiert hatte, für zeitgenössisch sehr umstrittene Aufklärungskampagnen nutzte. Käte Strobel initiierte den ersten bundesdeutschen Auf-klärungsfilm Helga (1967) und einen Sexualkunde-Atlas (1969); in ihre Ministerzeit fällt auch der Beginn der Reformdebatte um das Abtreibungsverbot (§ 218).

Die Schwerpunkte ihrer politischen Arbeit verlagerten sich nun zur Frauen- und Familienpolitik, die Käte Strobel unter dem Begriff der rationalen Familienpolitik zusammenfaßte und die auf die Emanzipation der einzelnen Familienmitglieder zielte. Käte Strobel reformierte als Ministerin auch das Lebensmittelrecht und das Arzneimittelrecht. Von nachhaltiger Bedeutung waren insbesondere eine Neuregelung der Krankenhausfinanzierung, des Jugendwohlfahrtsgesetzes und der Bundesausbildungsförderung. Sie bereitete auch eine Reihe wichtiger Reformen vor, die erst unter ihrer Amtsnachfolgerin Katharina Focke umgesetzt wurden (Jugendhilferecht, Ehe- und Scheidungsrecht, Recht der elterlichen Sorge, Familienlastenausgleich). 1972 schied Käte Strobel aus dem Ministeramt und dem Bundestag aus.

Nach dem Ende ihrer aktiven politischen Laufbahn lebte Käte Strobel in Nürnberg, wo sie 1996 verstarb.