Екатерина Волкова родилась 15 января 1982 года в Таллине. Отец – Валерий Леонидович, дипломат. Мать – Ирина Анатольевна, домохозяйка. Из Эстонии семья Волковых переехала в Финляндию, а затем в Москву.
В школе №1061 (ныне №806), где училась Катя, был создан театральный класс, но родители не позволили будущей актрисе в нём учиться, так как не одобряли ее стремление стать актрисой.
Екатерина Волкова вспоминала: «С пятого класса мы с Сергеем Лазаревым учились в параллельных классах, с 7-го класса играли вместе в КВН. У нас была веселая команда: я, Сережа и еще двое ребят. В 10-м классе мы с Сережей учились уже вместе. В 11-м классе я перешла в театральное училище, так как поступила в училище имени Щепкина, а Сережа – через год в Школу-студию МХАТ.»

Отношения мы поддерживаем и сейчас. Года три назад были съёмки программы «Форт Боярд», я шла по Парижу и услышала голос: «Волкова!» Я решила, показалось, или и в Париже меня уже знают. Повернулась, а за спиной Сережа Лазарев. А летом мы встретились в Киеве.

Так уж у нас повелось: «Мы встречаемся где угодно, но только не дома! Мы постоянно созваниваемся и списываемся».
После окончания школы № 1061 Екатерина поступила в Театральное училище имени Щепкина (художественный руководитель В.П. Селезнев), которое окончила с отличием в 2003 году.
В этом же году Екатерина поступила в труппу Театра киноактера, где работает и в настоящее время. Актриса исполнила роли в спектаклях: «Щелкунчик и Мышиный Король», «Мера за меру», «Бродвей...Бродвей», «Собака на сене», «Безумный день или женитьба Фигаро», «Свои собаки грызутся, чужая не приставай», «Идеальный муж», «Валентин и Валентина».
В 2005 году Екатерина Волкова дебютировала в кино, исполнив небольшую роль в детективном сериале «Кулагин и партнеры». Затем актриса снялась в фильмах: «Адъютанты любви» (2005 г.), «Люба, дети и завод» (2005–2006 гг.), «Кто в доме хозяин?» (2006–2008 гг.), «Женские истории» (2007 г.), «Монте-Кристо» (2008 г.), «Новогодняя засада» (2008 г.), «Шальной ангел», (2008 г.), «Отблески» (2009 г.), «Следопыт» (2009 г.), «Родина» (2014 г.).
Параллельно с карьерой актрисы Екатерина училась в Академии бюджета и казначейства Министерства финансов РФ, которую окончила в 2006 году.
В 2007 году актриса сыграла свою первую главную роль в сериале «Агентство «Алиби».
В 2009 году Екатерину Волкову утвердили на роль Веры в сериале «Воронины», которая принесла ей большую популярность и сделала знаменитой.
9 апреля 2010 года Екатерина вышла замуж за профессионального танцора Андрея Карпова.16 марта 2011 года у супругов родилась дочь Лиза.
В последние годы актриса участие в съемках программ: «Угадай мелодию», «В черной-черной комнате», «Форт Боярд», «Уральские пельмени», «Пусть говорят», шоу «Десять миллионов».
С сентября 2011 года по июль 2012 года Екатерина вела передачу «Давно не виделись на канале «ТВ Центр». C 2013 года Екатерина Волкова является ведущей программы «Мама на 5+» на канале «Дисней».
27 марта 2014 года в Государственном театре Киноактера состоялась премьера спектакля «Прекрасная жизнь», роль Клары в котором исполнила актриса Екатерина Волкова.