Екатерина Николаевна Вилкова родилась в городе Горьком (сегодня – Нижний Новгород) летом 1984 года в рабочей семье. День рождения девочки пришелся на знак зодиака Рак. По национальности Екатерина – русская. Отец будущей актрисы работал электриком, а мать трудилась вахтером. Семья, как и все советские люди того периода, страдала от дефицита, ребенку приходилось донашивать одежду за старшим братом.
Тем не менее маленькая Катя все равно росла жизнерадостной девочкой, мечтающей, как вспоминает актриса сегодня, «о красивой жизни», обсуждая планы на будущее с подругами. Родители рано отдали Катю на художественную гимнастику. В этом виде спорта девочка делала большие успехи, получив звание кандидата в мастера спорта. Но спортивная карьера не сложилась.
Отдыхая в летнем лагере, школьница записалась в местный драмкружок и серьезно увлеклась театром. Страсть к сцене привела к тому, что после школы Вилкова подала документы в Нижегородское театральное училище имени Евгения Евстигнеева и была зачислена на актерский факультет. Наставником будущей актрисы стал заслуженный деятель искусств России, театральный режиссер Василий Богомазов, который был учеником легендарного педагога и театрального режиссера Георгия Товстоногова.
Во время учебы в «Евстигнеевке» талантливая студентка уже играла Офелию на подмостках Нижегородского драматического театра. Театральная биография Екатерины Вилковой началась за год до совершеннолетия актрисы.
Окончив училище в 2003 году, девушка решила не останавливаться на достигнутом, отправилась покорять российскую столицу. Екатерина подала документы сразу во все театральные вузы и прошла конкурс в 3 из них. Выбор Вилковой пал на Школу-студию МХАТ, куда будущая звезда была зачислена сразу на 2-й курс. Дипломной постановкой стала пьеса Александра Володина «С любимыми не расставайтесь», где Екатерина сыграла главную роль. Несмотря на успех спектакля, выпускница МХАТа все же решила связать жизнь с кино.
Дебют Вилковой в кино состоялся еще во время учебы в вузе. В 2005 году она успешно прошла кастинг и получила роль Софьи Голицыной в историческом приключенческом сериале «Сатисфакция», где также снимались звезды российского кинематографа: Виктор Сухоруков, Марат Башаров и Александр Домогаров. Такое сотрудничество окрылило девушку, и после окончания вуза исполнительница стала пробоваться на роли первого плана.
Упорство и настойчивость российской актрисы сделали свое дело. За 5 лет после выпуска из МХАТа Екатерина поучаствовала в 15 фильмах. Разноплановые роли Вилковой в полной мере раскрыли многогранность таланта.
Артистка одинаково гармонично смотрелась и в роли непутевой провинциалки Анны в детективном триллере «Тот, кто гасит свет» режиссера Андрея Либенсона, и в образе яркой «чувихи» Бэтси в мюзикле «Стиляги», снятого Валерием Тодоровским. Также Вилкова снялась в главной роли в фантастическом боевике «Черная молния», который был номинирован на премии MTV Awards и «Золотой орел».
2010 год ознаменовался участием преимущественно в комедиях. Вилкова исполнила главные роли в комедийной мелодраме «Самка», в романтической комедии «На крючке!», где блистала в пляжных сценах в купальнике, а также поучаствовала в съемках новогоднего киноальманаха «Елки». Комедийное амплуа вызвало лавину предложений, и с того момента актриса часто снимается в фильмах развлекательного жанра.
2011 год подарил актрисе 5 громких премьер. Она появилась в популярном проекте артистов «Квартета И» «О чем еще говорят мужчины», где сыграла подругу олигарха, в фильме о жизни Сергея Мавроди «ПираМММида», в котором ее партнером стал Алексей Серебряков.
В 2013 году в репертуаре исполнительницы появляется роль главной героини в шпионской картине «Убить Сталина». Партнерами Екатерины в кадре становятся популярные артисты старшего поколения – Александр Домогаров, Михаил Пореченков, Павел Трубинер.
В 2016 году на экраны вышел комедийный сериал «Отель “Элеон”», спин-офф ситкома «Кухня». Картина повествует о комических и драматических ситуациях внутри коллективов пятизвездочного ресторана Victor и бутик-отеля Eleon. В этой киноленте Екатерина Вилкова проявила себя блестяще, сыграв роль Софии Яновны, критики и зрители фильм назвали лучшим в карьере актрисы
2017 год стал успешным продолжением в карьере актрисы. В феврале вышел фильм «Одноклассницы: Новый поворот», в котором Вилкова сыграла роль Светы, а в октябре состоялась премьера ленты «Последний богатырь».
Актриса замужем за своим коллегой по цеху. Екатерина Вилкова и Илья Любимов познакомились на автозаправке. Между ними вспыхнул роман, завершившийся официальным бракосочетанием, в 2011 году влюбленные поженились. Во время «выкупа невесты» жениху пришлось вскарабкаться на 4-й этаж дома возлюбленной.
Илья Любимов, муж актрисы, свято соблюдает традиции православия, поэтому супруги не ограничились загсом и обвенчались. Таинство венчания состоялось в Храме Священномученика Антипы.
Вилкова и Любимов растят двоих детей: дочку по имени Павла, названную в честь персонажа сериала «Вербное воскресенье», и сына Петра. Хотя ходят слухи, что родители выбирали детям имена согласно святцам. Илья с супругой часто дают интервью глянцевым изданиям, поэтому личная жизнь Екатерины находится под пристальным вниманием российской прессы.