Артистка, исполнительница романсов и мать многих детей родилась 24 января 1978 года в столице. Спустя год после её прихода в мир, её отец в ходе конфликта случайно лишил жизни сотрудника силовых структур и был осужден на 12 лет тюремного заключения. После освобождения он вернулся в семью, и много времени посвятил воспитанию внуков. Его кончина в 2010 году стала тяжелым ударом для известной дочери.
Екатерина начала увлекаться актерством в пионерских лагерях, куда её вместе со старшей сестрой Викой отсылали на лето. Она становилась неизменным участником спектаклей и концертов, и с каждым выступлением все более утверждалась в решении сделать это своей карьерой. После школы Екатерина окончила подготовительные курсы при ВГИКе и с первого раза поступила в Высшее Театральное училище имени Щепкина.
Несмотря на то, что привлекательность студентки Климовой привлекала однокурсников, её отец и супруг являлись серьезным препятствием для настойчивых поклонников. С Ильей Хорошиловым она начала встречаться еще будучи школьницей, а в 19 лет вышла за него замуж. Пока Катя училась, Илья занялся ювелирным бизнесом, но исправно посещал учебные спектакли жены.
После окончания учебы в 1999 году Екатерину пригласили в Центральный Академический театр Советской Армии. Дополнительный доход ей обеспечивал её голос, который еще в училище сравнивали с голосом Эдит Пиаф. Екатерина озвучивала рекламу, пела в кадре и за кадром, даже преподавала сценическую речь детям.
В 2001 году актриса дебютировала на экране в фильме «Яды, или Всемирная история отравлений» и в ряде сериалов, включая «Московские окна». Съемки вновь свели Екатерину Климову с Игорем Петренко, которого она помнила по училищу. Он закончил учебу на год позже и тоже уже был женат. Это не помешало их чувствам разгореться, но Екатерина не хотела скрывать свои чувства. Она попросила Игоря дать ей покой, и он это сделал.
Они вновь встретились на съемках «Лучшего города Земли», продолжения «Московских окон». Перед началом работы вместе уже разведенный Игорь позвонил Екатерине, чтобы прояснить отношения. Она приняла решение: она ушла от мужа вместе с дочерью Лизой, которую родила в 2002 году.
Весь 2003 год прошел в напряжении из-за любовного треугольника. Илья Хорошилов пытался вернуть жену и даже угрожал убить Игоря Петренко. А Екатерина Климова, помимо реальной драмы, переживала вымышленную в сериале «Бедная Настя», который принес ей народную известность. Актриса вспоминала, что проходила пробы после отдыха в Турции, загорелая до черноты, и смотрелась в платьях фрейлины императорского двора забавно, но роль все-таки получила.
Екатерина Климова и Игорь Петренко поженились в последний день 2004 года без особых торжеств и даже без колец. В браке у них родились сыновья Матвей и Корней. Младшим актриса была беременна на съемках следующего шага карьеры — фильма «Мы из будущего».
Союз, который казался идеальным для публики, неожиданно распался в конце 2014 года. Петренко взял вину на себя, но в актерских кругах давно ходят разговоры, что у Екатерины сложный характер, она резка в гневе и очень ревнива.
Уже на следующий год Екатерина Климова вступила в третий брак. Новым избранником стал Гела Месхи — актер на восемь лет младше, с которым она снималась в сериале «Волчье солнце». Гела полюбил Екатерину с первого взгляда, а предложение делал дважды, в Нью-Йорке и в Париже, чтобы наверняка. Супруги воспитывают троих детей Екатерины от предыдущих браков и общую дочь Беллу.
