Екатерина Климова с детства занималась фигурным катанием, легкой атлетикой и драматическим искусством. В 1999 году окончила Высшее театральное училище им. М. С. Щепкина с красным дипломом и была приглашена в Театр Российской армии. Кинодебют состоялся в 2001 году в фильме «Яды, или Всемирная история отравлений». С тех пор она сыграла более 50 ролей.

Широкую известность актрисе принесла роль Натальи Репниной в сериале «Бедная Настя». Екатерина также снимается в рекламных роликах и является лицом нескольких торговых марок. Обнаженные сцены с её участием представлены в фильмах «Игры в подкидного» (2001), «Синдром дракона» (2012) и «Мы из будущего» (2018).