Екатерина Вилкова родилась в Горьком, который теперь носит дореволюционное названием Нижний Новгород, в очень простой советской семье. Ее отец – электрик, а мама – вахтер. Понятно, что в советское время, в эпоху тотального дефицита не слишком легко приходилось и их семье, и маленькой Кате даже приходилось донашивать после старшего брата некоторые предметы из его гардероба. Тем не менее, с детским досугом в СССР было все нормально, и Катю отдали в секцию художественной гимнастики, и она даже добилась звания кандидата в мастера спорта в этом виде. Однако о гимнастике было забыто, когда юная школьница на летних каникулах попала в драмкружок летнего пионерского лагеря. С тех пор ее мечтой стал театр. После школы Екатерина Вилкова довольно легко поступила в местное театральное Евстегнеевское училище, где ее педагогом был ученик Товстоногова Василий Богомазов. После этого она была зачислена сразу на второй курс школы-студии МХАТ.
Дебют в кино у Екатерины Вилковой состоялся в 2005 году, когда она сыграла небольшую роль в телесериале «Сатисфакция». Роли посыпались как из рога изобилия. И на сегодняшний день Екатерина Вилкова одна из самых востребованных актрис российского кинематографа.
В личном плане у актрисы тоже все складывается удачно. Она замужем за актером Ильей Любимовым. Илья глубоко верующий православный человек, соблюдающий все традиции, поэтому кроме официальной регистрации пара обвенчалась в московском храме священномученика Антипы. В настоящее время у Екатерины и Ильи двое детей.