Княжна впервые увидела своего будущего возлюбленного, когда ей не исполнилось и 12 лет. В сентябре 1859 года император Александр II заехал в гости к её батюшке, князю Михаилу Долгорукову. Князь вскоре разорился. Имение, в котором он принимал императора, пошло с молотка, а шестерым детям князя было не на что жить.
Александр II взял потомство Долгорукова на государственное попечение. Четверых сыновей определили в военное училище, а 12-летняя Катя и 10-летняя Мария, по высочайшему повелению, были приняты в Смольный институт благородных девиц на правах пенсионерок его императорского величества.
Вполне естественно, что девочкам, привыкшим к домашнему уюту, было некомфортно в столичном казённом заведении. В своих мемуарах Екатерина Михайловна вспоминала, что в годы учёбы она часто болела. Александр, регулярно наведывавшийся в Смольный, постоянно интересовался своими пенсионерками и навещал Екатерину даже в лазарете. Его забота была по-отечески благопристойной: царь был старше Долгоруковой почти на 30 лет.
В 1864 году 16-летняя княжна вышла из стен Смольного в большую жизнь. Её общение с императором прервалось более чем на год. 25 декабря 1865 года гулявший по Летнему саду Александр II заметил среди публики знакомое лицо. Он поболтал с Екатериной о всяких пустяках и распрощался с девушкой.
После этого встречи стали почти ежедневными. Они подолгу вместе гуляли по аллеям Летнего сада. Привычный променад состоялся и 4 апреля 1866 года. Перед прощанием Екатерина рассказала императору, что вечером собирается навестить сестру Машу в Смольном. Александр тут же пообещал приехать в институт только для того, чтобы ещё раз с ней увидеться. Попрощавшись, они разошлись. Через несколько минут у решётки Летнего сада Дмитрий Каракозов выстрелил в царя, но промахнулся.
Когда Екатерина узнала о покушении, ей сделалось дурно. Она долго плакала при мысли о том, что «такой ангел доброты имеет врагов, желающих его смерти». Справившись с эмоциями, девушка поняла, что относится к Александру уже не просто как к благодетелю и не просто как подданная к государю.
Через две недели состоялось их первое свидание наедине. После чаепития в одном из кабинетов Зимнего дворца император преподнёс юной возлюбленной браслет, украшенный рубином и бриллиантами. Взаимное объяснение в любви случилось 1 июля в Петергофе.
Александр II имел репутацию ценителя женской красоты. С 1841 года он был женат на принцессе Гессенской и Прирейнской Максимилиане Вильгельмине Августе Софии Марии, получившей после крещения в православие имя Мария Александровна. Отличавшаяся слабым здоровьем супруга родила императору восьмерых детей. Пока императрица вынашивала и рожала потомство, Александр менял фавориток.
По Петербургу поползли слухи о новом увлечении государя. Сплетни, порочившие честь сестры, очень не нравились старшему брату Екатерины Михаилу. Он с женой собирался в Европу и ради пресечения досужих, как он считал, домыслов решил взять сестру с собой.
С первого дня разлуки между возлюбленными завязалась оживлённая переписка. Всего сохранилось около пяти тысяч их писем друг к другу. Переписка до сих пор целиком не опубликована. Большая часть писем хранится в Государственном архиве Российской Федерации, отдельные послания регулярно продаются на аукционах за большие деньги.
Ежедневной переписки Александру явно казалось мало. При первой возможности он отправился в Европу сам — в 1867 году французский император Наполеон III пригласил российского монарха в Париж на Всемирную выставку. Екатерина, узнав об этом, тут же поехала во французскую столицу. Её сопровождала жена брата, которая не смогла бы помешать ежедневным свиданиям.
Даже очередное покушение на царя, которое совершил в Париже поляк Антон Березовский, не нарушило расписания. Более того, Александр II уверился, что именно присутствие в Париже Екатерины отвело от него роковую пулю.
В конце 1867 года Долгорукова вернулась в Петербург, где её ожидал влюблённый император. Их регулярные свидания проходили во всех резиденциях. То, что императрица Мария и наследник Александр явно не одобряли эту скандализировавшую всё общество связь, ничуть не смущало императора, потерявшего голову от любви. Мало того, в 1870 году он настоял на зачислении княжны Долгоруковой в число фрейлин своей жены.
В начале 1870-х врачи обнаружили у Долгоруковой малокровие и посоветовали для «встряски организма» родить ребёнка. Император с жаром поддержал предложение лекарей, и 30 апреля 1872 года в Зимнем дворце на свет появился Георгий. За следующие шесть лет Екатерина подарила императору ещё троих детей.
Для Екатерины выделили комнаты в Зимнем дворце прямо над покоями императора. Днём Александр играл там с детьми, читал им сказки, а вечером малышей отвозили в специально купленный для них дом недалеко от дворца, монарх же оставался наедине с любимой.
22 мая 1880 года скончалась давно болевшая чахоткой императрица Мария Александровна. Супругу полагалось носить траур как минимум год. Но уже через месяц, 6 июля, в Царском Селе состоялась скромная церемония венчания Александра II и светлейшей княгини Екатерины Юрьевской — этот титул Долгорукова получила в качестве свадебного подарка. Семья Романовых встретила неприлично быстрый после смерти императрицы брак с явным неодобрением.
По мнению современников и по сохранившимся отрывочным пометкам в записной книжке Александра II, в марте 1881 года он собирался подписать конституцию, подготовленную министром графом Лорис-Меликовым, провозгласить Екатерину императрицей, а потом отречься от престола в пользу сына и провести остаток жизни в кругу новой семьи. Этим планам помешало очередное покушение на царя 1 марта.
На похоронах Александра II Екатерина шла в самом начале траурной процессии сразу после нового императора Александра III. Новый царь не скрывал враждебных чувств к своей мачехе, и поэтому менее чем через год светлейшая княгиня Юрьевская с детьми покинула Россию. Они поселились в Ницце. Крупная сумма, положенная Александром II на счёт Екатерины ещё до их свадьбы, позволила его вдове жить за границей на широкую ногу. На Лазурном берегу Екатерина Долгорукова прожила 40 лет.