Актриса театра и кино. Родилась 24 января 1978 года в Москве. Окончила Высшее театральное училище им. М. С. Щепкина. После учёбы Климову пригласили в Центральный академический театр Российской армии на роль Дездемоны в «Отелло».
В 2001-м дебютировала в фильме «Яды, или всемирная история отравлений». Известность Екатерине принесли работы «Бедная Настя» (2003–2004), «Побег» (2010) и дилогия «Мы из будущего» (2008, 2010). Помимо съёмок в кино Климова занимается озвучкой («Маленький принц» (2015), «Мата Хари» (2017)) и исполняет песни для фильмов и сериалов («Игры в подкидного» (2001), «Бедная Настя» (2003–2004)).
В 1993 году вышла замуж за ювелира Илью Хорошилова. У них родилась дочь Елизавета (2.03.2002). Пара распалась в 2004-м. В том же году Климова расписалась с актёром Игорем Петренко, с которым прожила 10 лет. В этом союзе на свет появилось двое сыновей — Матвей (21.11.2006) и Корней (22.09.2008). В 2015-м Екатерина связала себя узами брака с актёром Гелой Месхи, от которого родила дочь Изабеллу (30.09.2015). Летом 2019-го Климова и Месхи развелись.
