Agnes Immonen blev matchhjälte med sitt avgörande 3-2-mål 9.27 in i tredje perioden.
Den första perioden slutade 0-0. Onyx gjorde 1-0 genom Ulrica Nilsson efter 7.48 i andra perioden.
Katrineholm gjorde 1-1 genom Ida Fällman efter 8.17 av perioden.
Efter 8.29 gjorde Onyx 2-1 genom Agnes Immonen. 7.02 in i tredje perioden slog Maja Hellberg till på pass av Ida Fällman och kvitterade för Katrineholm.
9.27 in i perioden nätade Onyx Agnes Immonen återigen framspelad av Sofia Krusell och avgjorde matchen för Onyx.
Onyx har nu nio poäng efter tre spelade matcher, medan Katrineholm är utan poäng efter två matcher.
Nästa motstånd för Onyx är Eskil.Nyfors. Lagen möts lördag 9 november 13.00 i Volvo CE Arena.