Екатерина Градова родилась 6 октября 1946 года в Москве. Её отец, Георгий Александрович, был знаменитым архитектором, директором НИИ, а мать – драматическая актриса Раиса Градова служила в Театре имени Гоголя.
Родители будущей актрисы строго относились к воспитанию дочери. С ранних лет девочку обучали немецкому и английскому языкам, давали уроки музыки и живописи. Самым любимым занятием у пятилетней Кати было дирижирование, и она самозабвенно размахивала папиной колонковой кистью под музыку Бетховена. Моцарта и Чайковского. Катя рано научилась читать и писать, а уже школьницей любила переводить английские сказки, сочиняла по ним сценарии и ставила домашние спектакли для родителей и няни.
Екатерина с детства была влюблена в театр, но после школы решила поступить в Московский институт иностранных языков. Вскоре она поняла, что мечтает о сцене, а не о карьере переводчицы и с первой попытки поступила в Школу–студию МХАТ на курс Василия Маркова. На 4–м курсе ей предложили сыграть в спектакле «Таланты и поклонники» театра им. Маяковского. Дебют был блестящим и вызвал восторженные отклики у зрителей и критиков. После учёбы Екатерина служила в театре Сатиры.
В кинематографе Екатерина Градова снималась редко, но каждое её появление на экране было ярким и незабываемым. Мировую славу актрисе принесла роль радистки Кэт в картине «Семнадцать мгновений весны».
В 1971 году Екатерина Градова вышла замуж за знаменитого актера Андрея Миронова, а через два года у них родилась дочка Мария, ставшая впоследствии известной актрисой. Семейная жизнь не сложилась, в 1976 году семья распалась.
В конце 80–х Екатерина Градова ушла из театра. В 90–е актриса перенесла тяжелое заболевание. С тех пор она обратилась к Богу, начала посещать храмы и основала благотворительный фонд «Обретение».
В паломнической поездке в Оптину Пустынь Екатерина познакомилась со своим будущим мужем Игорем Тимофеевым. В 1991 году они обвенчались, а в 1992 забрали из приюта и усыновили Алексея Суховеркова.
Сейчас Екатерина Градова со своим мужем живут в скромном деревенском доме во Владимирской области, занимаются благотворительностью, помогают всем нуждающимся.