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Nach seinen Anfängen als Regieassistent (u.a. bei Friedrich Schirmer) an den Theatern in Dortmund und Münster arbeitete Klaus-Dieter Köhler zunächst als freier Regisseur in u.a. Augsburg, Würzburg, Bremerhaven und Saarbrücken. In diese Zeit fallen Inszenierungen im Schauspiel u.a. von Herbert Achternbusch, Woody Allen oder Harold Pinter. Anfang der Neunziger Jahre war er am Theater Regensburg als Musikdramaturg und Regisseur engagiert und leitete von 1995 bis 2004 als Oberspielleiter und stellvertretender Intendant das Schauspiel des Theaters Trier. In dieser Zeit inszenierte er viele Klassiker wie „Maria Stuart“, „Götz von Berlichingen“ oder „Der Kirschgarten“ sowie Uraufführungen und Komödien (u.a. „Die Kaktusblüte“, „Schöne Bescherungen“ von Alan Ayckbourn oder Peter Shaffers „Komödie im Dunkeln“).
Klaus-Dieter Köhler lebt seitdem als freier Regisseur und Autor mit seiner Familie in Wiesbaden. Ein Schwerpunkt seiner Arbeiten liegt im Musiktheater, wo er u.a. das Musical „Der Kuss der Spinnenfrau“ am Theater Dortmund und Operetten wie „Der Bettelstudent“, „Der Graf von Luxemburg“ (Theater Krefeld/Mönchengladbach), „Eine Nacht in Venedig“, „Die Fledermaus“ (Trier), „Der Zarewitsch“ (Landestheater Niedersachsen) auf die Bühne gebracht hat. Außerdem fallen in diese Zeit Inszenierungen im Schauspiel sowie eigene Revuen am ETA Hoffmann Theater in Bamberg, dem Theater Altenburg/Gera und dem Landestheater Schwaben. Regelmäßige Arbeiten als Regisseur führen ihn auch an die Wiesbadener Kammerspiele. Als Autor gewann er zusammen mit seinem Vater, dem ehemaligen GMD des Staatstheaters Wiesbaden Prof. Siegfried Köhler, bei den Memminger Autorentagen 2010 den 1. Preis mit der Kinderoper „Kater Murr“.
Mit dem Schauspieler Halvor Boller gründete er 2008 das Kartenhausensemble, das im gesamten Rhein-Main Gebiet aktiv ist. Klaus-Dieter Köhler ist Dozent an der Wiesbadener Schule für Schauspiel und der ADK Regensburg.
An der WLB inszenierte er in der Spielzeit 2017/18 „Wir sind die Neuen“, 2019/20 "Waidmannsheil!" und in der Spielzeit 2021/22 das Songdrama "Ewig jung".