Третьей дочерью Великого князя Михаила Павловича и Великой княгини Елены Павловны стала Екатерина. Новорожденную княжны назвали в честь прабабушки - императрицы Екатерины II. Девочка появилась на свет в августе 1827 года и стала последней дочерью Великокняжеской четы, которая смогла пережить младенчество: после нее родились Александра (прожила один год и два месяца) и Анна (скончалась в возрасте полутора лет).
Великая княжна Екатерина росла вместе со старшими сестрами Марией и Елизаветой в великолепном Михайловском дворе. Образованию девочек было уделено особое внимание: внучки и племянницы императора должны были получить все самое лучшее. Великий князь Михаил Павлович помимо общих предметов поручил преподавать дочерям военное дело и лично проверял их знания по части сигналов горна и трубы.
В возрасте 19 лет Великая княжна Екатерина Михайловна осталась единственной дочерью у своих родителей: Мария скончалась от чахотки, а Елизаветы не пережила сложные роды. Спустя еще год не стало Великого князя Михаила Павловича. С этого момента мать окружила княжну своим вниманием и с большим энтузиазмом стала подыскивать для нее достойного жениха.
В 1850 году в возрасте 23 лет Великая княжна Екатерина Михайловна стала невестой 26-летнего герцога Георга Мекленбург-Стрелицкого. В феврале 1851 года в Петербурге состоялась свадьба молодых людей - к тому моменту Екатерина и Георг ближе познакомились и стали испытывать друг к другу теплые чувства. После свадьбы супруги стали жить с Великой княгине Еленой Павловной в Михайловском дворце.
Брак герцога и герцогини Мекленбург-Стрелицких оказался счастливым: Екатерина всей душой полюбила супруга. От данного союза на свет появилось пятеро детей: Николай-Георг (скончался при рождении), Елена, Георгий, Мария Фредерика (скончалась при рождении) и Михаил. Именно дети Екатерины Михайловны стали наследниками Михайловского дворца, Ораниенбаума и Каменного острова.
Несмотря на то, что после свадьбы Екатерина Михайловна была освобождена от русского подданства она осталась жить в Российской империи, много занималась благотворительностью, покровительствовала больницам и приютам для детей. После смерти матери герцогиня стала патронировать медицинские учреждения, которым покровительствовала мать: Елизаветинской клинической больнице, Еленинского клинического института, Мариинского и Повивального института, Крестовоздвиженской общине сестер милосердия и многих другим.
В 1876 году в возрасте 49-ти лет герцогиня Екатерина Мекленбург-Стрелицкая похоронила мужа. С этого момента она осталась один на один со всеми семейными проблемами и заботами. Одной из таких проблем стала любовь ее старшего сына Георга к простой фрейлине Наталье Вонлярлярской. Внучка императора Павла I не хотела допускать мысли, что ее наследник свяжет свою жизнь с женщиной, которая не подходить ему по статусу. Спустя время Екатерина Михайловна была вынуждена дать свое согласие на брак.
В 1893 году вдовствующая герцогиня тяжело переболела вирусом гриппа, который дал осложнение на сердце. Спустя год 66-летняя Екатерина Михайловна скончалась в своих покоях. На ее похоронах присутствовали многие представители императорской семьи во главе с императором Александром III, который приходился ей племянником, и цесаревичем Николаем Александровичем.
