Екатерина Градова родилась в Москве в первый послевоенный год. Ее родителями были архитектор и альпинист Георгий Градов и Раиса Градова, актриса Московского драматического театра имени Н.В. Гоголя (сейчас — «Гоголь-центр»). После окончания средней школы Екатерина Градова поступила в Московский институт иностранных языков имени Мориса Тореза (сейчас — Московский государственный лингвистический университет), а потом все же решила пойти по стопам матери. В середине 1960-х она сдала вступительные экзамены в Школу-студию МХАТ и была зачислена в мастерскую Василия Маркова.
Первая слава пришла к ней еще в студенческие годы, когда Градова вышла на сцену Московского академического театра имени Владимира Маяковского — ее, старшекурсницу, выбрали на роль Негиной в спектакле Марии Кнебель по пьесе Александра Островского «Таланты и поклонники». Успех был буквально оглушительным — актриса рассказывала, что зрители заваливали ее восторженными письмами. Позже, в 1971-м, была создана телеверсия знаменитого спектакля.
В том же 1969-м, когда она дебютировала в роли Негиной, в Театре сатиры готовился еще один важный спектакль — «Безумный день, или Женитьба Фигаро». В поисках актрисы на роль графини Розины актеры Андрей Миронов и Валентин Гафт обходили учебные театры столицы. Дошли и до Школы-студии — курс, на котором училась Градова, как раз подготовил дипломный спектакль по бессмертной комедии Бомарше. Юная актриса покорила Андрея Миронова, который впоследствии стал ее мужем. Они начали общаться, и спустя какое-то время Екатерина отправилась на встречу с художественным руководителем Театра сатиры Валентином Плучеком.
Вскоре Градова уже играла свои первые роли на сцене этого театра — Жанну Барбье в «Интервенции» по Льву Славину, Роситу в «Балаганчике дона Кристобаля» по Федерико Гарсиа Лорке, Светлану в постановке «Таблетку под язык» по Андрею Макаенку.
Первое время работу в театре пришлось совмещать со съемками в кино. Актрису выбрали на роль, которая позже сделает ее знаменитой на всю страну и принесет орден Дружбы народов, — роль Кати Козловой, или Кэтрин Кин, или радистки Кэт, в культовом советском телесериале «Семнадцать мгновений весны» режиссера Татьяны Лиозновой.
Съемки начались в 1970 году. Это был второй опыт работы Градовой в кино — впервые на площадке она оказалась в 1967-м, когда сыграла Марину в драме «Осенние свадьбы». Известность, которую принесла ей роль в многосерийном фильме, перекрыла все предыдущие успехи. В 1973 году, когда «Семнадцать мгновений весны» начали показывать по телевидению, Градова стала настоящей звездой.
В мае того же года Екатерина Градова стала мамой маленькой Маши. Мария Миронова, выбравшая профессию своих родителей, сегодня известная актриса.
В 1976 году Екатерина сыграла Ксению в «Рождении» Фрунзе Довлатяна, фильме об установлении советской власти в Армении. В 1979 году Градова появилась в другом легендарном многосерийном фильме — «Место встречи изменить нельзя» — в небольшой роли Светланы Волокушиной, подельницы вора Петьки Ручечника. Многие телезрители помнят ее по роли Бэрил Стэплтон в телеспектакле Антонины Зиновьевой «Собака Баскервилей».
Екатерина Градова оставалась актрисой Театра сатиры до конца 1980-х. На его сцене она сыграла множество ролей, среди которых Она в «Маленьких комедиях большого дома» и фрекен Розенблюм в «Пеппи Длинныйчулок» (1973), Соня Захарова в «Пощечине» (1974), Ларичева в «Феноменах» (1979), Лидия Чебоксарова в «Бешеных деньгах». Однако, по словам актрисы, театр начал ее тяготить после смерти Андрея Миронова (актер умер на сцене во время спектакля «Свадьба Фигаро» в 1987 году). А когда родился внук (Федор Удалов-Миронов, который сейчас является актером Театра имени Евгения Вахтангова), она решила полностью посвятить себя семье.