Екатерина Семёнова родилась 18 апреля 1971 года в г. Монино (Московская область). Отец Тенгиз Александрович — режиссёр-документалист, мать Наталья Орлова — художник-мультипликатор (работая над мультфильмом «Тайна третьей планеты», она рисовала героиню Алису Селезневу со своей семилетней дочери Кати).

В 1992 году окончила школу-студию МХАТ (курс И.Тарханова). Дебют состоялся на сцене Художественного театра в спектакле «Ундина» (Ундина).

В 1992 году принята в труппу театра «Современник».

В 2002 году принята в труппу Художественного театра им. А. П. Чехова. Работает в нём по настоящее время.

Снимается в «Последнем герое» и в различных сериалах. Про эту популярную артистку говорят, что попала в обойму по стечению семейных обстоятельств. Сама Екатерина Семёнова говорит: таких родственников, как у меня, еще заслужить нужно.

В разное время её спутниками были Антон Табаков, Алексей Макаров и другие звёзды отечественного кино.