Екатерина Климова родилась в Москве. Ее мать воспитывала старшую дочь Вику, а отец зарабатывал на жизнь живописью. Екатерина Климова провела свое детство с матерью и старшей сестрой Викой, поскольку ее отец был заключен в тюрьму на 12 лет за непредумышленное убийство, когда ей был один год.
Климова имеет цыганское происхождение, унаследованное от прабабушки. Эта привычка выражать сильные эмоции сделала Екатерину эмоциональной и открытой, и она смогла легко перевоплощаться в самые разные роли и быстро вживаться в них.
Катя увлекалась театром с начальной школы. Она участвовала в театральных постановках со своими одноклассниками, и у нее всегда была своя роль — от нескольких минут интермедии до главной роли с полноценным диалогом. Именно тогда она поняла, что будущее актерство — ее истинное призвание.
После окончания школы Климова уже определилась с выбором профессии. С первого дня она училась в Щепкинском училище, где ей очень нравилось. Ее мечта сбылась — не было ни одного предмета, который бы ей не нравился, Что давало прекрасные возможности для развития ее творческих способностей.
В 1999 году, сразу после окончания училища, Екатерине Климовой предложили работу в театре российской армии. Актриса сразу же согласилась на роль Дездемоны в «Отелло». За свою выдающуюся работу она была награждена Хрустальной розой Виктора Розова в категории «Актриса до 30 лет».