Школьные годы Екатерина провела в Курске. После обучалась лётному мастерству в Воронеже и Оренбурге. К осени 1941 года на ее счету было уже 40 боевых вылетов и 12 воздушных боёв. В один из вылетов группа бомбардировщиков под ее командованием уничтожила в районе Пропойска 45 танков, 20 автомобилей и до батальона солдат противника.
12 сентября 1941 она осуществила два вылета на самолёте Су-2. Во время второго её самолёт был повреждён. Но заместитель командира полка капитан Пушкин, вернувшись с боевого задания, сообщил, что немцы стягивают танки к городу Лохвицы. Екатерина уговорила капитана разрешить вылет на его самолёте. Вторым членом её экипажа, лётчиком-наблюдателем, стал лейтенант Павлык. В паре с самолётом Зеленко на задание ушёл Су-2 капитана Лебедева.
Последнему пришлось уйти от целой своры Ме-109 и посадить повреждённую машину. Через трое суток до аэродрома добрался раненый Павлык, у которого закончились патроны в пулемёте. Екатерина отдала ему приказ прыгать с парашютом.
Окончательно установить историю последнего боя Екатерины Зеленко удалось уже после войны. Его свидетелями стали жители села Анастасьевка. Су-2 отбивался от немецких истребителей, пока не кончились патроны.
У лётчицы был шанс выпрыгнуть с парашютом, ведь внизу были свои. Однако старший лейтенант Зеленко приняла решение драться до конца. Последний курс её самолёта был направлен на один из Ме-109. Жители села увидели вспышку в небе, а затем падающие обломки обоих самолётов.
Жители села нашли тело лётчицы и её окровавленный комсомольский билет. Девушку похоронили, завернув в парашют, а документы сохранила местная учительница Анастасия Марченко. Старшему лейтенанту Екатерине Ивановне Зеленко посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.