Родилась в 1684 году в семье латышских крестьян. До крещения в православие в 1703 году носила имя Марты Скавронской. Юность Марты прошла в доме лютеранского пастора в городе Мариенбург. В 1702 году оказалась в русском плену при занятии Мариенбурга русскими войсками под командованием генерал-фельдмаршала Бориса Шереметева. По легенде, пленивший девушку солдат продал ее офицеру, а офицер подарил фельдмаршалу, у которого пленницу отобрал уже Александр Меншиков и презентовал царю. Доброта и кроткий нрав Марты понравились Петру I, и вскоре он сделал ее своей любовницей. После крещения Марта сменила имя на Екатерину Алексеевну Михайлову. Ее крестным отцом выступил царевич Алексей Петрович.

С 1709 года Екатерина Алексеевна не покидала царя, сопровождая его во всех походах и поездках. В 1711 году государь объявил ее своей женой. При этом царица оставалась по характеру скромной и неприхотливой, смогла приспособиться к тяжелому характеру мужа, терпела его странности и капризы, прощала неоднократные измены. По преданию, во время Прутского похода 1711 года Екатерина спасла войска Петра, окруженные турецкой армией. Она передала все свои драгоценности для подкупа турецкого визиря, который подписал перемирие. В 1714 году в память о Прутском походе царь учредил орден Святой Екатерины, которым наградил жену в день ее именин.

Во время Второго путешествия в Европу 1716–1717 годов Екатерина Алексеевна следовала за мужем, но другим путем. В отличие от царской ее поездка оказалась явно неподготовленной и сопровождалась целым рядом неурядиц. Добравшись до прусского города Везеля, царица 2 января 1717 года родила сына Павла, скончавшегося в этот же день. Главными виновниками смерти царевича Петр объявил подданных английского короля и ганноверского курфюрста Георга I (1698–1727). Претензии русского правителя отвергались ганноверскими дипломатами на официальном уровне. Эта трагедия серьезно ухудшила отношения Петра с Георгом I, союзником по антишведской коалиции.

Царь любил жену и в письмах обращался к ней ласково «Катеринушка, друг мой сердешненькой». У них родилось не менее восьми детей, большинство из которых умерло в детском возрасте. Ради сына Петра, родившегося от Екатерины в 1715 году, был лишен имущества и казнен в 1718 году царевич Алексей Петрович. Однако маленький царевич Петр Петрович умер через год, оставив русский престол без наследника. Избежали ранней смерти только две дочери Екатерины — Анна Петровна и Елизавета Петровна. Первая вышла замуж за гольштейн-готторпского герцога Карла Фридриха и родила от него будущего российского императора Петра III. Вторая предназначалась отцом в супруги французскому королю Людовику XV, но этот брак не сложился. Елизавета сама взошла на русский престол в 1741 году в результате дворцового переворота.

В мае 1724 года в Москве состоялась коронация Екатерины Алексеевны императрицей Всероссийской (первая коронация в истории императорского дома Романовых). Осенью отношения в императорской чете испортились из-за того, что Петр заподозрил Екатерину в супружеской измене. Однако на смертном одре он примирился с женой и скончался на ее руках в начале 1725 года.

По причине отсутствия завещания ближайшие сподвижники Петра при помощи гвардии возвели Екатерину I на российский престол. Императрица не имела ни способностей, ни желания заниматься государственными делами. Страной фактически управлял Александр Данилович Меншиков и созданный в 1726 году Верховный тайный совет. Весной 1727 года Екатерина I тяжело заболела и умерла, оставив после себя завещание о передачи власти сыну казненного царевича Алексея Петровича — Петру Алексеевичу (будущему императору Петру II).