Nach dem Studium an der Hochschule für Musik Detmold sowie erweiterten Studien in Wien und Rom begann Karl-Heinz Bloemeke seine Theaterlaufbahn mit Stationen in Bielefeld, Coburg, am Staatstheater Darmstadt und am Nationaltheater Mannheim. Als Gastdirigent wirkte er an der Staatsoper Hannover, der Oper Frankfurt, dem Staatstheater Karlsruhe und der Deutschen Oper am Rhein Düsseldorf/Duisburg. Von 1991 bis 2001 war er Chefdirigent des Folkwang Kammerorchesters Essen. Ebenfalls von 1991 bis 2014 war er als ständiger Dirigent beim Sinfonieorchester Berlin tätig. Konzertreisen führten ihn in das gesamte europäische Ausland sowie in die USA.

Von 1985 bis zu seiner Emeritierung im Jahr 2017 war er als Professor für das Fach »Dirigieren« an der Hochschule für Musik Detmold tätig. Danach übernahm er Lehraufträge an den Hochschulen in Köln und Stuttgart. Ein Schwerpunkt seiner künstlerischen Arbeit liegt in der aktiven Förderung des musikalischen Nachwuchses, d. h. in der intensiven Arbeit mit jungen Solisten und jungen Orchestern: Er war Dirigent der Landesjugendorchester Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz sowie des Kammerorchesters Jeunesses Musicales. Von 1977 bis 1980 war er Chefdirigent des RIAS-Jugendorchesters. Von 1976 bis 1988 hatte er regelmäßig die Künstlerische Leitung der Internationalen Opernkurse der Jeunesses Musicales auf Schloss Weikersheim inne. Hinzu kommen die Mitarbeit beim Dirigentenforum sowie die Mitgliedschaft im Beirat »Orchester« (Deutscher Orchesterwettbewerb) des Deutschen Musikrats. Außerdem leitete er Dirigierkurse und Seminare für den Deutschen Musikrat, den Bayerischen Musikrat, Jeunesses Musicales Deutschland u. a.