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No início de 2015, Perry ainda embarcando em sua terceira turnê musical The Prismatic World Tour (2014-2015), iniciou o processo de compor o que seria seu quarto álbum de estúdio com compositores como Max Martin, Sia e Sarah Hudson. Em maio de 2015, seu empresário anunciou que seu quarto álbum seria lançado em 2016, mas, apesar dessa declaração, o trabalho musical não foi lançado até junho de 2017.

6 de fevereiro de 2017 seu novo single foi lançado, chamado "Chained to the Rhythm", com a participação do cantor Skip Marley (neto materno de Bob Marley). Para promover seu single, ele teve apresentações ao vivo em vários shows, como o Grammy Awards, o iHeart Radio Awards, etc. sempre apresentando uma poderosa mensagem política e metafórica sempre na companhia de Marley.

Semanas depois, Perry mandou a seus fãs, e-mails com uma receita de sobremesa de cereja com a frase Bon Appétit e, em 27 de abril, Perry lançou uma música com o mesmo nome, em colaboração com o grupo de hip-hop/rap Migos, que se tornou o segundo single oficial do álbum. O vídeo oficial foi lançado em 13 de maio do mesmo ano, fazendo uma espécie de referência sexual, tendo como imagem a preparação de um grupo de chefs para um banquete que os participantes da festa estavam se preparando para provar. O vídeo também contou com a aparição do grupo Migos e não causou tanto impacto no Youtube até 2019, quando as visualizações e procura pelo vídeo aumentou de forma considerável.

Em 18 de maio, Perry lançou seu terceiro single "Swish Swish" no YouTube, em colaboração com a rapper Nicki Minaj, enquanto lançava o título do novo álbum, Witness. Para promover este single, em 3 de julho, o vídeo oficial de Swish Swish, estrelado pela atriz e dançarina brasileira Gretchen, foi lançado inesperadamente. O vídeo foi totalmente filmado no Brasil e tem como objetivo atingir o público latino-americano, resultando na tendência crescente no país de origem da protagonista. O vídeo oficial foi lançado ao amanhecer em 24 de agosto. Tem a participação de Jenna Ushkowitz (da série Glee), Gaten Matarazzo (da série Stranger Things ), Christine Sydelko (da "Internet") e outras estrelas convidadas. O tema do vídeo, que tem um tom cômico, gira em torno de um jogo de basquete, onde Katy enfrenta um time chamado The Tigers antes de outro chamado The Sheeps, e Nicki Minaj fazendo sua apresentação durante o intervalo do jogo. Em 27 de agosto de 2017, ele apresentou essa música em shows como o SNL, onde teve uma boa recepção.

Seu quarto álbum Witness foi lançado em 9 de junho, recebendo críticas mistas comparado ao álbum anterior, Prism. Nos Estados Unidos, estreou no topo da Billboard 200 com 180.000 unidades, das quais 162.000 eram para as vendas puras e 18.000 equivalência de streaming. Com isso, foi o terceiro álbum de Perry a chegar ao topo da lista. Foi também o segundo álbum feminino a liderar a lista em 2017, além de ter tido a maior taxa de vendas para uma mulher desde Joanne (2016) de Lady Gaga. NoReino Unido, Witness estreou na sexta posição da parada de álbuns do Reino Unido, sendo o terceiro álbum dos 10 melhores de Perry nessa lista.

Parte da promoção de seu álbum musical é a turnê musical "Witness: The Tour", que começou em 19 de setembro de 2017, em Montreal, Canadá. A turnê é dividida em nove etapas, com um total de 113 shows espalhados pela América do Norte, Europa, Ásia, Oceania, América Latina e até na África.

Em 27 de julho de 2017, Perry anunciou em sua conta do Instagram que seria o apresentadora oficial do MTV Video Music Awards, organizado pela MTV. O vídeo oficial para promover seu single "Swish Swish", em colaboração com Nicki Minaj, foi finalmente lançado em 24 de agosto de 2017.

Em 20 de dezembro de 2017, ele publicou o vídeo oficial da música "Hey Hey Hey" para promover seu álbum e também dar um presente aos seus fãs. O vídeo se passa no século XVIII, com Perry atuando como Maria Antonieta da Áustria. e Joana d'Arc ao mesmo tempo, em que ela mostra a luta contra a opressão das mulheres, um sinal de empoderamento feminino.

Em fevereiro de 2019, Perry publica uma música em colaboração com o disc-jockey e produtor russo - alemão Zedd chamado "365", que havia sido divulgado em janeiro de 2019, antes de ser divulgada online. Três meses depois, em 28 de maio , a cantora anunciou em sua conta do Instagram o lançamento de um novo single intitulado "Never Really Over", também co-produzido por Zedd, e lançado em 31 de maio de 2019 através da Capitol Records. Mais tarde, em 9 de agosto do mesmo ano, o posto cantor na venda outra música chamada "Small Talk", desta vez produzido pelo cantor americano Charlie Puth .

Em julho de 2019, um júri na Califórnia emitiu um veredicto após um julgamento que durou uma semana e no qual a música de Perry "Dark Horse" estava envolvida, depois que o rapper Flame indicou que a música havia copiado sua música "Joyful Noise" de 2008, que abriu uma ação por direitos autorais alegando que ele usava o ritmo de sua música sem permissão. Posteriormente, o júri ordenou que Katy pagasse ao rapper $550.000. No mês seguinte, Josh Kloss, co-estrela de Perry no videoclipe "Teenage Dream", a acusou de comportamento sexual inadequado. Em um post no Instagram, Kloss alegou que, durante uma festa em uma pista de patinação, Perry abaixou as calças e a cueca, expondo seu pênis aos amigos. Perry nunca falou sobre isso.