Екатерина родилась в семье знаменитого адмирала Алексея Наумовича Сенявина и его жены Анны-Елизаветы фон Брауде. Точная дата её рождения неизвестна. По сведениям великого князя Николая Михайловича, она была второй из четырёх дочерей Сенявиных, следовательно, год её рождения относится приблизительно к 1761 году.
Совсем юной Екатерина была пожалована во фрейлины и вскоре стала одной из любимиц императрицы Екатерины II. Разница в возрасте между Екатериной и её сёстрами была небольшая, они были почти ровесницами, поэтому одновременно появились при дворе и стали его украшением; за красоту и грациозность граф П. В. Завадовский называл сестёр Сенявиных нимфами.
У Екатерины было много поклонников, но из них больше всего она уделяла внимание 35-летнему графу Семёну Романовичу Воронцову. В записках князя Долгорукова Воронцов характеризуется как человек талантливый, но с характером плутоватым, который угодничал сначала перед Орловыми во время их возвышения, потом перед Потёмкиным для получения дипломатического поста. Как раз в это время фрейлина Екатерина Сенявина вступила в связь с Потёмкиным, и императрица решила выдать её замуж, чтобы удалить от двора; граф Воронцов явился кстати.
В мае 1780 года состоялась помолвка Екатерины Сенявиной с графом Воронцовым, которая была встречена с радостью отцом жениха и всей Воронцовской роднёй. Крайне довольный тем, что его сын решил жениться, граф Роман Илларионович писал к своему старшему сыну Александру:
После свадьбы, состоявшейся 18 августа 1780 года в Мурино, молодые зажили счастливо. Проведя медовый месяц в имении, Воронцовы вернулись в Петербург, где в мае 1782 года у них родился сын Михаил, крестник императрицы; а в следующем году дочь Екатерина. Графиня Екатерина Алексеевна сама кормила детей, что ставилось её родными в пример другим, зато, поглощённая уходом за детьми, она пренебрегала собственным здоровьем. Граф Семён Романович писал отцу:
Назначенный в конце 1783 года на вновь учреждённое место посланником в Венецию, граф Семён Романович уехал с женою и детьми в Италию. Обстановка, в которой пришлось им жить по приезде в Венецию, где они поселились в доме, имевшим "только одни стены, без двойных рам в окнах и труб в комнатах", при сильных холодах зимой 1783-1784 года ("так что каналы замерзали") и полное отсутствие комфорта не могли не отозваться пагубно на слабом здоровье графини: здесь она почувствовала первые приступы рокового недуга — чахотки.
Жизнь в Венеции была дорогая, денег не хватало, неблагоприятный климат, болезнь жены. Всё это заставляло Воронцова писать письма в Петербург с просьбой отозвать его из Италии. Поэтому Воронцовы с радостью узнали о предстоящем переводе графа Семёна Романовича посланником в Англию и начали готовиться к переезду в Лондон. Но болезнь Екатерины Алексеевны делала быстрые шаги, и в июне 1784 года её положение было очень серьёзным. Почувствовав, однако, облегчение и думая, что опасность миновала, она говорила мужу со слезами на глазах:
Вместо того, чтобы ехать в Лондон, Воронцовы поселились в Пизе, в надежде, что более мягкий, чем в Венеции, климат принесёт пользу Екатерине Алексеевне, но все меры оказались тщетными. 25 августа 1784 года графиня Воронцова скончалась. Глубокого драматизма полны письма её мужа, где он описывал своё горе. После похорон Воронцов писал своему брату Александру 5 сентября 1784 года из Падуи :
Тело графини Воронцовой было положено в свинцовый гроб и предано земле в Венеции, в Греческой церкви св. Георгия, у левого клироса. Заветной мечтой графа Воронцова было перевезти её прах в Россию и похоронить в Мурино, в церкви святой великомученицы Екатерины, построенной после кончины графини в 1786 году по проекту архитектора Н. А. Львова, и самому быть схороненным рядом с ней. Однако, этой его воле не суждено было осуществиться: он умер и похоронен был в Англии. Но на месте последнего упокоения графини Екатерины Алексеевны, в Венеции, Воронцов положил капитал на вечное проведение ежегодной панихиды в день её смерти.
В браке у Воронцовых родились сын и дочь.
Воронцов с детьми
Михаил
Екатерина