Екатерина Голубева окончила актерский факультет ВГИКа и начала карьеру в кино в 1984 году с детского фильма «Граждане вселенной». В 1985 году сыграла главную роль в криминальной драме «Научись танцевать», а в 1987-м снялась в фильме «Сказка про влюбленного маляра». В 1997 году выступила сценаристом драмы «Дом», режиссером которой был ее муж.

В конце 1990-х Екатерина познакомилась с французским режиссером Леосом Караксом и получила главную роль в его мелодраме «Пола Х» (1999). Эта работа стала значимым этапом в ее карьере.