Екатерина Николаевна Вилкова родилась 11 июля 1984 года в городе Горький, в семье папы-электрика и мамы-вахтера. Является кандидатом в мастера спорта по художественной гимнастике. В 2003 году окончила Нижегородское театральное училище (мастерская Заслуженного деятеля искусств России В.Ф. Богомазова). Окончив мастерскую Заслуженного деятеля искусств Богомазова в театральном училище родного города, она поступила в Школу-студию МХАТ. Став студенткой четвертого курса, она тут же почувствовала разницу между двумя учебными заведениями – если в Нижнем педагоги растили ее, как цветок, то в столице откровенно учили идти по головам к своей цели. В 2006 году Вилкова окончила курс Сергея Земцова и Игоря Золотовицкого, и сыграла на сцене МХАТа в постановке «С любимыми не расставайтесь». Ее кинодебют состоялся в историческом сериале «Сатисфакция» (2005) и полнометражной ленте «Нас не догонишь» (2007). Съемки последней проходили зимой, в сорокаградусный мороз  — Екатерина играла тюремную заключенную по кличке Насос. С тех пор Катя сыграла более тридцати ролей, в том числе в нашумевших картинах «Стиляги» (2008), «Вербное воскресенье» (2009), «Ёлки» (2010), «Пирамммида» (2010), «The телки» (2011) и множестве других. 1 мая 2011 года Екатерина Вилкова вышла замуж за актёра Илью Любимова.