Екатерина Михайловна родилась 16 августа 1827 года в Санкт-Петербурге и была третьей дочерью в великокняжеской семье.
Её мать воспитывала дочь в строгом духе и сама руководила её образованием, лично подбирала преподавателей , которые должны обучать великую княжну иностранным языкам, пению и рисованию. Потерявшая четырёх из пяти дочерей (Елизавета скончалась в 1845, Мария — в 1846, Анна и Александра скончались в детстве), Елена Павловна сконцентрировала своё внимание на Екатерине.
В 1849 году неожиданно скончался её отец, Михаил Павлович, а через год Екатерина стала невестой герцога Георга Августа Эрнеста Мекленбург-Стрелицкого (1823—1876) — кузена императрицы Александры Фёдоровны. Бракосочетание состоялось 4 февраля (1851) года в Санкт-Петербурге. В качестве герцогини Мекленбургской Екатерина Михайловна была освобождена от русского подданства. Молодые поселились в Михайловском дворце вместе с великой княгиней Еленой Павловной. К большому огорчению герцогини, отношения между матерью и мужем не сложились, однако, это не помешало её счастью. Своего мужа она любила глубоко и беззаветно.
Екатерина Михайловна родила пятерых детей, двое из которых умерли в младенчестве.
Дети унаследовали Михайловский дворец (в 1895 году продан в казну), Ораниенбаум и Каменный остров.
Екатерина Михайловна продолжила благотворительное дело Елены Павловны и состояла покровительницей нескольких учреждений. Открыла в Ораниенбауме, где часто проводила летнее время, приют для больных детей, которых привозили из петербургских больниц. Под её покровительство перешли медицинские учреждения, при содействии Екатерины Михайловны завершилось строительство задуманного ещё её матерью Клинического института (ныне Институт усовершенствования врачей). Заботой герцогини пользовались Мариинский и Повивальный институты (ныне Институт акушерства и гинекологии), Максимилиановская лечебница для приходящих, дома призрения в Петербурге и Ораниенбауме. Содействовала она и женскому образованию в России, являясь попечительницей разных учебных заведений. Благотворительная деятельность Екатерины Михайловны не ограничивалась Петербургом: она покровительствовала Ташкентскому училищу для девочек, Рижскому дамскому благотворительному обществу, Екатерининскому женскому институту, Новгородскому отделению Российского общества Красного Креста.
В петербургском обществе Екатерина Михайловна занимала заметное положение, имела свой двор. В свете обычно появлялась в старомодном платье со множеством кружев. По смерти матери, в 1873 году, унаследовала Михайловский дворец, построенный в 1822 году специально для её отца.
В июне 1876 года овдовела: её муж скончался 50-и лет. Ей выпали испытания, связанные с проблемами детей, самой большой из которых оказалась женитьба старшего сына Георга, который увлекся фрейлиной Натальей Федоровной Вонлярской. Внучке императора с консервативными взглядами трудно было представить, что место её невестки займет девушка не королевских кровей. Но мать была вынуждена дать согласие на брак.
Скончалась 30 апреля 1894 года «после продолжительной и тяжёлой болезни». Погребение состоялось 4 мая 1894 года в Петропавловском соборе в Высочайшем присутствии; отпевание возглавил митрополит Санкт-Петербургский Палладий (Раев).
Согласно завещанию, принадлежавшие ей Михайловский дворец, а также Каменноостровский и Ораниенбаумский переходили в собственность младшего сына Михаила и дочери Елены. Георг, нарушивший правила семьи, получал их лишь в пожизненное пользование без права передачи детям от морганатического брака. Однако Екатерина Михайловна сделала приписку к своему завещанию:
Признаю Божие благословение за мою невестку Наталью… Благодарю её за нежную любовь к сыну моему герцогу Георгу. Да дарует им Господь счастье и благополучие.