Екатерина родилась 24 января 1978 года в Москве.
Окончила Высшее театральное училище им. М. С. Щепкина с красным дипломом в 1999 году (актёрский факультет, мастерская Н. Н. Афонина). Была приглашена Б. А. Морозовым в Театр Российской армии на роль Дездемоны. Впоследствии за эту роль она получила премию «Хрустальная роза Виктора Розова» в категории «Актёры до 30-ти лет». Климова также преподавала сценическую речь и актёрское мастерство в Детском модельном агентстве, работала в рекламе на радио и телевидении. Песни в исполнении Екатерины звучат в телесериалах «Игры в подкидного», «Бедная Настя» (романс «О, если б грусть моя…»), «Точка кипения», пела она и в мюзикле «Бюро счастья», снималась в «Фитиле». Работала в Театральной компании С. Виноградова. Е. Климова участвует в театральных проектах П. А. Штейна и играет в антрепризе. Наиболее известные роли сыграла в фильмах «Бедная Настя», «Грозовые ворота», «Мы из будущего», «Антикиллер Д.К: Любовь без памяти», «Побег». В 2011 году стала лицом торговой марки Garnier Color Naturals.
Первый муж — Илья Хорошилов. В настоящее время замужем за актёром Игорем Петренко.
Трое детей: дочь (от первого брака) — Елизавета Хорошилова, сыновья — Матвей и Корней Петренко.