В её честь Петром I учреждён орден Св. Екатерины (в 1713) и назван город Екатеринбург на Урале (в 1723). Имя Екатерины I носит также Екатерининский дворец в Царском Селе (выстроенный при её дочери Елизавете).
Сведения о молодости Екатерины I содержатся в основном в исторических анекдотах и недостаточно достоверны. До сих пор точно не определены её место рождения и национальность.
По одной из версий, родилась она на территории современной Латвии, в исторической области Видземе, входившей на рубеже XVII—XVIII веков в состав шведской Ливонии, в семье латышского или литовского крестьянина родом из окрестностей Кегумса. По другой версии, будущая императрица родилась в Дерпте (ныне Тарту, Эстония) в семье эстонских крестьян.
Родители Марты умерли от чумы в 1684 году, и её дядя отдал девочку в дом лютеранского пастора Эрнста Глюка, известного своим переводом Библии на латышский язык (после взятия Мариенбурга русскими войсками Глюк, как учёный человек, был взят на русскую службу, основал первую гимназию в Москве, преподавал языки и писал стихи по-русски). Марта использовалась в доме как служанка, грамоте её не учили.
По версии, изложенной в словаре Брокгауза и Ефрона, мать Марты, овдовев, отдала дочь в услужение в семью пастора Глюка, где её будто бы учили грамоте и рукоделиям.
По другой версии, до 12 лет девочка жила у своей тетки Анны-Марии Веселовской, прежде чем оказаться в семье Глюка.
В возрасте 17 лет Марту выдали замуж за шведского драгуна по имени Иоганн Крузе (Johan Cruse), как раз накануне русского наступления на Мариенбург. Через день или два после свадьбы трубач Иоганн со своим полком отбыл на войну и по распространённой версии пропал без вести.
Поиски корней Екатерины в Прибалтике, проведённые после смерти Петра I, показали, что у императрицы было две сестры — Анна и Христина, и два брата — Карл и Фридрих. Их семьи Екатерина в 1726 году перевезла в Петербург (Карл Скавронский переехал ещё раньше, см. Скавронские). По мнению руководившего поисками А. И. Репнина, Христина Скавронская и её муж «врут», оба они «люди глупые и пьяные», Репнин предлагал отправить их «куда в другое место, дабы от них больших врак не было». Екатерина присвоила Карлу и Фридриху в январе 1727 года графское достоинство, не называя их своими братьями. В завещании Екатерины I Скавронские неопределённо названы «ближними сродственниками ея собственной фамилии». При Елизавете Петровне, дочери Екатерины, сразу после её восшествия на престол в 1741 году в графское достоинство были возведены также дети Кристины (Гендриковы) и дети Анны (Ефимовские). В дальнейшем официальной версией стало, что Анна, Кристина, Карл и Фридрих — родные братья и сёстры Екатерины, дети Самуила Скавронского.
Однако с конца XIX века рядом историков такое родство ставится под сомнение. Указывается на тот факт, что Пётр I называл Екатерину не Скавронской, а Веселевской или Василевской, а в 1710 году после взятия Риги в письме тому же Репнину называл совсем иные имена «сродственникам Катерины моей» — «Яган-Ионус Василевски, Анна-Доротея, также их дети». Поэтому предлагались иные версии происхождения Екатерины, согласно которым она двоюродная, а не родная сестра объявившихся в 1726 году Скавронских.
В связи с Екатериной I называется ещё одна фамилия — Рабе. По одним данным, Рабе (а не Крузе) — это фамилия её первого мужа-драгуна (эта версия попала в художественную литературу, например, роман А. Н. Толстого «Пётр Первый»), по другим — это её девичья фамилия, а некто Иоганн Рабе был её отцом.
В настоящее время появилась гипотеза о её белорусском происхождении. Якобы отец Екатерины, Самуил Скавронский, был в услужении у Казимира Яна Сапеги, проживал в Минске, и бежал в Лифляндию. Там он поселился недалеко от Мариенбурга.
25 августа 1702 года во время Великой Северной войны армия русского фельдмаршала Шереметева, ведущая боевые действия против шведов в Ливонии, взяла шведскую крепость Мариенбург (ныне Алуксне, Латвия). Шереметев, пользуясь уходом основной шведской армии в Польшу, подверг край беспощадному разорению. Как он сам доносил царю Петру I в конце 1702 года:
В Мариенбурге Шереметев захватил 400 жителей. Когда пастор Глюк в сопровождении своей челяди пришёл ходатайствовать о судьбе жителей, Шереметев приметил служанку Марту Крузе и силой взял её к себе в любовницы. Через короткое время примерно в августе 1703 года её хозяином стал князь Меншиков, друг и соратник Петра I. Так рассказывает француз Франц Вильбуа, находившийся на русской службе во флоте с 1698 года и женатый на дочке пастора Глюка. Рассказ Вильбуа подтверждается другим источником, записками 1724 года из архива ольденбургского герцога. По этим запискам Шереметев отправил пастора Глюка и всех жителей крепости Мариенбург в Москву, Марту же оставил себе. Меншиков, забрав Марту у пожилого фельдмаршала несколько месяцев спустя, сильно рассорился с Шереметевым.
Шотландец Питер Генри Брюс в «Мемуарах» излагает историю (со слов других) в более благоприятном для Екатерины I свете. Марту забрал полковник драгунского полка Баур (позднее ставший генералом):
Осенью 1703, в один из своих регулярных приездов к Меншикову в Петербург, Пётр I встретил Марту и вскоре сделал её своей любовницей, называя в письмах Катериной Василевской (возможно, по фамилии её тетки). Франц Вильбуа передаёт их первую встречу так:
В 1704 Катерина родит первенца, названного Петром, в следующем году Павла (вскоре оба умерли).
В 1705 Пётр отправил Катерину в подмосковное село Преображенское, в дом своей сестры царевны Натальи Алексеевны, где Катерина Василевская выучилась русской грамоте, а, кроме того, сдружилась с семьей Меншикова.
Когда Катерина крестилась в православие (1707 или 1708), то сменила имя на Екатерину Алексеевну Михайлову, поскольку крёстным отцом её был царевич Алексей Петрович, а фамилию Михайлов использовал сам Пётр I, если желал остаться инкогнито.
В январе 1710 года Пётр устроил триумфальное шествие в Москву по случаю Полтавской победы, на параде провели тысячи шведских пленных, среди которых по рассказу Франца Вильбуа был и Иоганн Крузе. Иоганн признался о своей жене, рожавшей одного за другим детей русскому царю, и был немедленно сослан в отдалённый уголок Сибири, где скончался в 1721 году. Со слов Франца Вильбуа существование живого законного мужа Екатерины в годы рождения Анны (1708) и Елизаветы (1709) позднее использовалось противоборствующими фракциями в спорах о праве на престол после смерти Екатерины I. По запискам из ольденбургского герцогства шведский драгун Крузе погиб в 1705 году, однако надо иметь в виду заинтересованность немецких герцогов в легитимности рождения дочерей Петра, Анны и Елизаветы, которым подыскивали женихов среди немецких удельных правителей.
Ещё до законного замужества за Петром Катерина родила дочерей Анну и Елизавету. Катерина одна могла совладать с царём в его припадках гнева, умела лаской и терпеливым вниманием успокоить приступы судорожной головной боли Петра. По мемуарам Бассевича:
Весной 1711 года Пётр, привязавшись к обаятельной и лёгкой нравом бывшей служанке, повелел считать Екатерину своей женой и взял её в несчастливый для русской армии Прутский поход. Датский посланник Юст Юль со слов царевен (племянниц Петра I) так записал эту историю:
В Молдавии в июле 1711 года 190 тысяч турок и крымских татар прижали 38-тысячную русскую армию к реке, полностью окружив многочисленной конницей. Екатерина отправилась в дальний поход, будучи на 7-м месяце беременности. По широко известной легенде она сняла все свои украшения, чтобы отдать их на подкуп турецкому командующему. Пётр I смог заключить Прутский мир и, пожертвовав русскими завоеваниями на юге, вывести армию из окружения. Датский посланник Юст Юль, бывший при русской армии после выхода её из окружения, не сообщает о таком деянии Екатерины, но говорит о том, что царица (так теперь все называли Екатерину) раздала свои драгоценности на сохранение офицерам и потом собрала их. В записках бригадира Моро-де-Бразе также не упоминается о подкупе визиря драгоценностями Екатерины, хотя автор (бригадир Моро-де-Бразе) знал со слов турецких пашей о точном размере казённых сумм, направленных на взятки туркам.
Официальное венчание Петра I с Екатериной Алексеевной состоялось 19 февраля 1712 в церкви Исаакия Далмацкого в Петербурге. В 1713 году Петр I в честь достойного поведения своей супруги во время неудачного для него Прутского похода учредил орден Святой Екатерины и лично возложил знаки ордена на жену 24 ноября 1714 года. Первоначально он назывался орденом Освобождения и предназначался только Екатерине. О заслугах Екатерины во время Прутского похода вспомнил Пётр I в своем манифесте о коронации супруги от 15 ноября 1723 года:
В личных письмах царь проявлял необычную для него нежность к супруге: «Катеринушка, друг мой, здравствуй! Я слышу, что ты скучаешь, а и мне не безскучно …». Екатерина Алексеевна родила мужу 11 детей, но почти все они умерли в детстве, кроме Анны и Елизаветы. Елизавета позже стала императрицей (правила в 1741—1762), а прямые потомки Анны правили Россией после смерти Елизаветы, с 1762 по 1917. Один из умерших в детстве сыновей, Пётр Петрович, после отречения Алексея Петровича (старшего сына Петра от Евдокии Лопухиной) считался с февраля 1718 года до своей смерти в 1719 году официальным наследником российского престола.
Иностранцы, с вниманием следившие за русским двором, отмечают привязанность царя к супруге. Бассевич пишет про их отношения в 1721 году:
Осенью 1724 Пётр I заподозрил императрицу в супружеской неверности с её камергером Монсом, которого казнил по другому поводу. Он перестал с ней говорить, доступ к нему был ей запрещен. Только раз, по просьбе его дочери Елизаветы Пётр согласился отобедать с Екатериной, бывшей его неразлучной подругой в течение 20 лет. Только при смерти Пётр примирился с женой. В январе 1725 Екатерина проводила всё время у постели умирающего государя, он скончался на её руках.
Мнения о внешности Екатерины противоречивы. Если ориентироваться на очевидцев мужчин, то, в целом, они более чем положительны, и, напротив, женщины порою относились к ней предвзято: «Она была мала ростом, толста и черна; вся её внешность не производила выгодного впечатления. Стоило на нее взглянуть, чтобы тотчас заметить, что она была низкого происхождения. Платье, которое было на ней, по всей вероятности, было куплено в лавке на рынке; оно было старомодного фасона и все обшито серебром и блестками. По её наряду можно было принять её за немецкую странствующую артистку. На ней был пояс, украшенный спереди вышивкой из драгоценных камней, очень оригинального рисунка в виде двухглавого орла, крылья которого были усеяны маленькими драгоценными камнями в скверной оправе. На царице было навешано около дюжины орденов и столько же образков и амулетов, и, когда она шла, все звенело, словно прошел наряженный мул».
Манифестом от 15 ноября 1723 года Пётр объявил о будущей коронации Екатерины в знак особых её заслуг.
7 (18) мая 1724 Пётр короновал Екатерину императрицей в московском Успенском соборе. Это была вторая на Руси коронация женщины-супруги государя (после коронации Марины Мнишек Лжедмитрием I в 1605 г.).
Своим законом от 5 февраля 1722 Пётр отменил прежний порядок наследования престола прямым потомком по мужской линии, заменив его личным назначением царствующего государя. Стать преемником по Указу 1722 года мог любой человек, достойный, по мнению государя, возглавить государство. Пётр умер ранним утром 28 января (8 февраля) 1725, не успев назвать преемника и не оставив сыновей. Отсутствием строго определённого порядка престолонаследия трон России был отдан на волю случая, и последующее время вошло в историю эпохой дворцовых переворотов.
Народное большинство было за единственного мужского представителя династии — великого князя Петра Алексеевича, внука Петра I от погибшего при допросах старшего сына Алексея. За Петра Алексеевича была родовитая знать, считавшая его единственно законным наследником, рождённым от достойного царской крови брака. Граф Толстой, генерал-прокурор Ягужинский, канцлер граф Головкин и Меншиков во главе служивой знати не могли надеяться на сохранение полученной от Петра I власти при Петре Алексеевиче; с другой стороны, коронация императрицы могла быть истолкована как косвенное указание Петра на наследницу. Когда Екатерина увидела, что больше нет надежды на выздоровление мужа, то поручила Меншикову и Толстому действовать в пользу своих прав. Гвардия была предана до обожания умирающему императору; эту привязанность она переносила и на Екатерину.
На заседание Сената явились офицеры гвардии из Преображенского полка, вышибив дверь в комнату. Они откровенно заявили, что разобьют головы старым боярам, если те пойдут против их матери Екатерины. Вдруг раздался с площади барабанный бой: оказалось, что перед дворцом выстроены под ружьем оба гвардейских полка. Князь фельдмаршал Репнин, президент военной коллегии, сердито спросил: «Кто смел без моего ведома привести сюда полки? Разве я не фельдмаршал?» Бутурлин, командир Семеновского полка, отвечал Репнину, что полки призвал он по воле императрицы, которой все подданные обязаны повиноваться, «не исключая и тебя», добавил он внушительно.
Благодаря поддержке гвардейских полков удалось убедить всех противников Екатерины отдать ей свой голос. Сенат «единодушно» возвел её на престол, назвав «всепресветлейшей, державнейшей великой государыней императрицей Екатериной Алексеевной, самодержицей всероссийской» и в оправдании объявив об истолкованной Сенатом воле покойного государя. Народ был очень удивлен восшествием в первый раз в российской истории на престол женщины, однако волнений не было.
28 января (8 февраля) 1725 года Екатерина I взошла на престол Российской империи благодаря поддержке гвардии и вельмож, возвысившихся при Петре. В России началась эпоха правления императриц, когда до конца XVIII века правили, за исключением нескольких лет, одни женщины.