Была любимой дочерью царицы Прасковьи и старшим выжившим её ребёнком. Детство её прошло в Измайлове, старой вотчине её деда царя Алексея Михайловича. Как и младших сестёр — Анну и Прасковью — её обучали немецкому и французскому языкам, танцам и хорошим манерам. Учителями были Остерман Иван Иванович (Иоганн-Христофор-Дитрих) (старший брат будущего вице-канцлера) и француз Этьен Рамбур. Екатерина была гораздо способнее своих сестёр. В 1708 году вся семья перебралась в Петербург.
Замужество
По отзывам современников, она была полной, небольшого роста, белолицей и темноволосой. Не считаясь красавицей, она обращала на себя внимание общительностью и доброжелательностью.
По желанию Петра I в 1716 году вышла замуж за герцогаМекленбург-ШверинскогоКарла Леопольда. Этот брак был вызван политическими соображениями — Пётр хотел союза с Мекленбургом для охраны от шведов морского торгового пути. Предполагалось использовать портовые города Мекленбурга как стоянку для русского флота, а также обеспечить возможность продажи в княжестве русских товаров. Сначала Карл Леопольд сватался за сестру Екатерины Анну, вдовствующую герцогиню Курляндскую, но позже Пётр назначил ему невестой именно Екатерину.
Бракосочетание состоялось в апреле в Данциге. Согласно брачному договору, герцог обязался обеспечить своей супруге свободное отправление православной службы и выплачивать ей по 6000 ефимков шкатульных денег в год. Петр I обязался, со своей стороны, содействовать завоеванию для герцога города Висмара. В 1716 году Леопольд навлёк на себя нерасположение Петра I. Потеряв престол в 1728 году, умер в крепости Дёмиц в 1747 году.
Брак Екатерины сложился неудачно. В 1722 году[уточнить(обс.)] Екатерина Ивановна, не выдержав жестокого и грубого отношения супруга, вернулась вместе с дочерью в Россию. Формального развода не было, но супруги больше не виделись.
Дальнейшая жизнь в России
В 1730 году Верховный тайный совет рассматривал кандидатуру Екатерины в качестве возможной претендентки на трон — ведь она была старшей дочерью царя Иоанна V Алексеевича — но она была отклонена из-за опасения вмешательства в государственные дела России её супруга, а также из-за слишком независимого и своенравного характера самой герцогини. В результате императрицей была избрана её младшая сестра, которую на тот момент верховники считали более послушной.
Екатерина Иоанновна сыграла не последнюю роль в событиях 25 февраля (8 марта) 1730 года, когда большая группа дворянства (по разным сведениям от 150 до 800), в числе которых было много гвардейских офицеров, явилась во дворец и подала челобитную Анне Иоанновне. В челобитной выражалась просьба императрице совместно с дворянством заново рассмотреть форму правления, которая была бы угодна всему народу. Анна колебалась, но её сестра Екатерина решительно заставила императрицу подписать челобитную. Представители дворянства недолго совещались и в 4 часа дня подали новую челобитную, в которой просили императрицу принять полное самодержавие, а пункты «Кондиций» уничтожить, что и было выполнено.
Екатерина Ивановна держала при своём дворе один из первых в России театров из крепостных актёров. Тайно сожительствовала с офицером флота князем Михаилом Белосельским, который через три года после её смерти за нескромные рассказы о покойной царевне был сослан на Урал[2].