Екатерина Вилкова родилась 11 июля 1984 года в Горьком.
В 2003 году окончила Нижегородское театральное училище (мастерская В. Ф. Богомазова).
В 2006 году окончила школу-студию МХАТ (курс И. Я. Золотовицкого и С. И. Земцова).
1 мая 2011 года состоялась свадьба Екатерины Вилковой с актёром Ильёй Любимовым. 11 февраля 2012 года у них родилась дочка Павла.
В сезоне 2010—2011 участвовала в телепроекте «Лёд и пламень» на Первом канале российского телевидения.