Екатерина Вилкова родилась 11 июля 1984 года в Нижнем Новгороде. Отец работал электриком, а мать вахтером. Родители растили спортсменку: с пяти лет Екатерина серьезно занималась художественной гимнастикой. Но однажды дочь вернулась из летнего пионерского лагеря, где впервые посетила театральный кружок, и заявила семье, что намерена стать актрисой. Родители пожали плечами, но не удивились - Катя всегда любила быть в центре внимания. После 9-го класса 14-летняя Вилкова поступила в Нижегородское театральное училище. По воспоминаниям одного из педагогов, поначалу Екатерина была довольно посредственной ученицей, однако ее «тянули на главные роли» из-за внешности. К концу третьего курса 18-летняя Вилкова уже играла на нижегородских подмостках Офелию в спектакле «Гамлет». В 2003 году, окончив училище, Екатерина Вилкова подалась в Москву продолжать образование. Девушка подала заявление во все театральные вузы столицы. В это время руководители второго курса Школы-студии МХАТ Игорь Золотовицкий и Сергей Земцов добирали студентов на второй курс. Мастера решили посмотреть Вилкову и зачислили ее с первой попытки. Жизнь в столице оказалась дорогой, поэтому студентка, по ее признанию, «таскала из дома сумки с продуктами - все, от куриных кубиков до картошки». Но уже спустя каких-то несколько лет из стройной голубоглазой студентки-провинциалки, коими Москва всегда богата, Екатерина Вилкова превратится в одну из самых востребованных молодых актрис России, зарабатывающих неплохие гонорары.

В 2006-ом году Екатерина оканчивает учебу и практически забывает о театре. Несмотря на образование театральной актрисы, Вилкова играет всего лишь в одном спектакле «С любимыми не расставайтесь» на сцене МХТа. Она делает ставку на кино и ни дня не сидит без работы. Ее дебютом становится роль романтической барышни Софьи Голицыной в историческом сериале «Сатисфакция». В процессе съемок актриса начинает встречаться с режиссером картины Михаилом Шевчуком. Через год Вилкова перевоплощается в заключенную по прозвищу Насос в фильме «Нас не догонишь» (2007) и удостаивается первой награды — премии «За лучшую женскую роль» на фестивале «Дух огня» в Ханты-Мансийске. В 2007 году Вилкова также снимается в сериалах «Бесы», «Пантера» и полнометражном фильме «Полное дыхание».

Однако, по-настоящему, актрису Екатерину Вилкову для российского кинематографа открыл режиссер Валерий Тодоровский, который пригласил ее в свой мюзикл «Стиляги» - один из самых ожидаемых фильмов 2008 года. Роль оторвы Бэтси вывела Вилкову на передовую отечественного кинобизнеса. Более того, из-за перерыва в производстве фильма, чтобы «не распускать актеров», Валерий Тодоровский занимает практически весь основной состав «Стиляг» в другом своем фильме - «Тиски», где Вилкова играет подругу наркомана.

После выхода нашумевшего мюзикла и молодежной драмы Тодоровского на экраны, востребованность Вилковой резко возрастает. Ее приглашают и в популярные телесериалы («Каменская», «Предлагаемые обстоятельства», «Вербное воскресенье», «Достоевский») и в отечественные блокбастеры, выходящие в широкий кинопрокат. В 2009 году Екатерина Вилкова сыграла возлюбленную супергероя Настю в фантастическом фильме «Черная молния», который продюсировал Тимур Бекмамбетов. А в 2010 году получила одну из ролей в его картине «Елки» - самом кассовом новогоднем фильме страны. К 27 годам Екатерина Вилкова сыграла более чем в 40 картинах, вышла замуж за актера Илью Любимова и родила дочь Павлу.