Старшая дочь царя Ивана V Алексеевича и царицы Прасковьи Фёдоровны (Салтыковой), племянница и крестница Петра I.

Детство царевны прошло в Московском Кремле и подмосковном Измайлове, где вместе с младшими сестрами — Анной и Прасковьей — она обучалась языкам, танцам и хорошим манерам. Одним из ее учителей был Иван Иванович (Иоганн-Христофор-Дитрих) Остерман, старший брат будущего вице-канцлера, первого кабинет-министра и генерал-адмирала Андрея Ивановича Остермана. Через много лет, когда царевна станет герцогиней, он будет приглашен ко двору ее супруга и вновь вернется в Россию уже в качестве министра-резидента (посла) мекленбургского герцогства.

Растущее влияние России на широкой европейской арене вызвало желание многих европейских владетельных домов породниться с русским царем. Времена, когда русские царевны при отсутствии равных по статусу женихов обрекались на безбрачие, остались в прошлом. Уже в 1701 г. обсуждались планы выдания одной из русских царевен за эрцгерцога Карла (будущего императора Священной Римской империи Карла VI). Жениху было в ту пору шестнадцать лет, старшей из царевен (Екатерине) — десять. Проект этот, однако, не был осуществлен.

Новым женихом Екатерины стал герцог Карл Леопольд Мекленбург-Шверинский (1678 — 1747). Было известно, что он обладает непредсказуемым характером, слывет почитателем Карла XII и даже участвовал в его походах. Несмотря на предупреждения о неблаговидном поведении Карла Леопольда с его первой женой и о том, что брак с ней еще не расторгнут, несмотря на соображения опытного дипломата Б.И. Куракина о том, что союз с Мекленбургом подорвет наметившиеся дружественные отношения с Англией и Ганновером, Петр дал согласие на этот союз. В январе 1716 г. в Петербурге была проведена церемония сговора и заключен русско-мекленбургский трактат о браке. Знакомство жениха и невесты произошло при этом 8 марта, а сама свадьба состоялась 8 апреля в Гданьске в присутствии царя Петра и царицы Екатерины Алексеевны.

Перед свадьбой Петр писал племяннице:

«1. Веру и закон, в ней же родилася, сохрани до конца неотменно. 2. Народ свой не забуди, но в любви и почтении имей паче протчих. 3. Мужа люби и почитай и слушай во фсем, кроме вышеписаннаго».

Брак был вызван исключительно политическими и военными интересами царя и герцога. Первый получал возможность согласно союзному договору размещать на территории герцогства свои войска, второй — получал поддержку в условиях непрекращавшихся волнений среди подданных и защиту от территориальных претензий соседей. Союз, однако, оказался недолговечным. В том же 1716 г. герцог навлек на себя гнев царя, через три года почти все русские войска были из герцогства выведены, а Карл Леопольд снова оказался перед лицом многочисленных внешних и внутренних угроз. Уже в 1722 году Петр, ссылаясь на нездоровье матери Екатерины, царицы Прасковьи Федоровны, вызвал герцогиню в Россию. К мужу она больше не вернулась, хотя брак их расторгнут не был.

В 1730 году, после смерти Петра II, Екатерина Иоанновна стала одной из претенденток на трон, однако Верховный тайный совет отклонил ее кандидатуру. Опасения «верховников» были вызваны как независимым и своенравным характером герцогини, так и возможностью вмешательства в российские дела ее супруга. Выбор был сделан в пользу ее младшей сестры — Анны. Екатерина, тем не менее, сыграла свою особую роль в февральских событиях 1730 года, когда «верховники» попытались ограничить в свою пользу власть императрицы. Вместе с младшей сестрой Прасковьей она смогла убедить Анну в том, что подписанные ею «Кондиции» поддерживаются далеко не всем русским обществом и помогла наладить ей связь с противниками «затейки верховников». «Кондиции» были разорваны, абсолютная власть монарха сохранена.

После смерти императрицы Анны дочь Екатерины Иоанновны, Елизавета Екатерина Христина (в православии Анна Леопольдовна), с 9 ноября 1740 года по 25 ноября 1741 года была регентом при своем сыне, малолетнем императоре Иоанне VI. В результате дворцового переворота, организованного дочерью Петра I Елизаветой Петровной, она была отстранена от власти и сослана вместе с мужем, герцогом Антоном Ульрихом Брауншвейг-Вольфенбюттельским, и дочерью в Холмогоры. Там она и скончалась в 1746 году. Ее сын, Иоанн Антонович, трагически погиб в Шлиссельбургской крепости в 1764 году.