Она появилась на свет 6 октября 1946 года в интеллигентной московской семье — отец был уважаемым архитектором, мать служила в Театре имени Гоголя. Несмотря на послевоенное время, детство Кати проходило в счастье и достатке — с ранних лет девочка была под присмотром няни, уже к семи годам свободно говорила на немецком и английском, играла на фортепиано и увлекалась живописью.
После развода родителей мама часто стала брать дочь с собой в театр, однако юной Кате закулисье совсем не нравилось. Она видела, как актёрская профессия изматывает её маму, и для себя поначалу выбрала более спокойное дело. После школы Градова поступила в институт иностранных языков, однако уже через год поняла, что скучает по театральной жизни. Екатерина забрала документы и отправилась поступать в Школу-студию МХАТ — с первой же попытки ей удалось покорить приёмную комиссию и попасть на курс к знаменитому педагогу Василию Маркову.
Ещё студенткой актриса впервые появилась на экране — сыграла Марину в мелодраме «Осенние свадьбы». В это же время она начала выходить на сцену Театра имени Маяковского, а сразу после выпуска пополнила труппу. Поговаривали, что 22-летней Градовой особенно благоволил опытный мэтр Максим Штраух — однажды педагог попросил молодую актрису поселиться у него, чтобы помогать ухаживать за больной женой, и Екатерина не смогла отказать. После смерти супруги режиссёр уговаривал Градову остаться с ним — помогать по хозяйству и напоминать принимать лекарства. Однако прожив год под одной крышей с наставником, актриса всё же покинула его дом.
После этого Екатерина Градова перешла в труппу Театра Сатиры, которому была верна следующие 20 лет. За скромной красавицей сразу начал ухаживать коллега по сцене Андрей Миронов — засыпал цветами, посвящал песни, одаривал комплиментами. Оказалось, что ещё в 14 лет Миронов увидел во сне свою будущую жену — её звали Катей, а внешне она очень напоминала Градову. Миронов решил, что это судьба, и вскоре познакомил возлюбленную с матерью. Мария Миронова как раз делала педикюр и распаривала ноги в тазу, когда Андрей привёл в дом невесту. Поначалу актёр хотел поговорить с матерью наедине, а Катю отвёл в другую комнату. Но Мария Владимировна позвала девушку к себе и попросила мастерицу по ногтям принести ещё один таз с водой для ног — Градова от смущения потеряла дар речи.
Спустя неделю после начала отношений Андрей Миронов и Екатерина Градова сыграли свадьбу. Через два года на свет появилась дочка Маша, а в это же время на экраны вышла картина «Семнадцать мгновений весны», где Градова сыграла радистку Кэт. После премьеры актрисе буквально не давали прохода на улице. Миронов жену очень ревновал, запрещал краситься, курить, пить вино, заставил отказаться от съёмок в Чехословакии. Градова вспоминала, что её Андрей был «абсолютно ветхозаветным» — говорил, что жена должна быть прекрасна как утро, «молчать и хлопать большими глазками». Екатерина была готова поставить на первое место семью, если бы Андрей и сам был верным мужем и примерным отцом. Однако этого не произошло — до Градовой постоянно доходили слухи об изменах супруга, а мириться с предательством она не могла и в итоге подала на развод.
Вместе с бывшим мужем Екатерина Градова продолжала выходить на сцену театра. После развода в жизни актрисы началась череда неприятностей. В три года тяжело заболела дочь Маша — вместо двусторонней пневмонии врачи сначала диагностировали аппендицит, провели ненужную операцию по удалению и лишь после этого правильно определили причину недуга и смогли помочь умирающей малышке. Затем подорвалось здоровье и самой актрисы — она еле стояла на ногах, постоянно теряла сознание, похудела до 40 килограммов. Врачи разводили руками не в силах распознать болезнь, в отчаянии Градова обращалась даже к экстрасенсам, но и они не помогли. И только после беседы с батюшкой актриса невероятным образом пошла на поправку.
Последней ролью Екатерины Градовой в кино стала подруга Ручечника в детективе «Место встречи изменить нельзя». Актриса продолжала выходить на сцену театра, но когда скоропостижно скончался Андрей Миронов, решила полностью переосмыслить свою жизнь. В конце 80-х Екатерина Градова навсегда оставила актёрскую профессию и обратилась к вере — окончила богословский институт, начала преподавать в гимназии и основала благотворительный фонд для помощи сиротам и старикам. В паломнической поездке в Оптину пустынь Градова познакомилась с физиком-ядерщиком Игорем Тимофеевым — он был младше на девять лет, но их взгляды на жизнь полностью совпали.
Они сыграли свадьбу и уехали в деревню, где выстроили дом. А вскоре решились на благородный поступок — взяли из детского дома мальчика Алексея Суховеркова. Впоследствии он стал шеф-поваром и был очень благодарен приёмным родителям. Дочь Мария порадовала знаменитую маму двумя внуками — Андрей Миронов-младший от первого брака с бизнесменом Игорем Удалолвым продолжил семейное дело и стал актёром. Младшего сына Фёдора актриса родила в четвёртом браке с директором медицинской компании — к сожалению, увидеть, как растёт внук, бабушке было уже не суждено.
Екатерина Градова ушла из жизни 22 февраля 2021 года в возрасте 74 лет — причиной смерти стал инсульт. Прощание прошло в узком кругу самых родных и близких людей, а похоронили заслуженную артистку на Аллее актёров московского Троекуровского кладбища.
