Екатерина Толубеева, в девичестве Марусяк, родилась 31 января 1955 года. Еще в детстве решила, что станет актрисой. Не отступая от своей мечты, после школы поступила в Киевский государственный институт театрального искусства имени И.К. Карпенко-Карого, Украина. После окончания ВУЗа, до 1986 года выступала в Львовском театре имени М.К. Заньковецкой.

В труппу Московского Большого драматического театра имени Г.А. Товстоногова начинающая актриса пришла в апреле 1986 года. Дебют на сцене театра начался с небольшой роли в спектакле «Визит старой дамы» по пьесе Ф. Дюрренматта. Вскоре режиссеры стали приглашать ее в свои постановки.

В 1991 году Толубеева получила роль Сары Тэнзи в спектакле «Удалой молодец - гордость Запада» по пьесе Д.-И. Синга от режиссера Дмитрия Астрахана. В том же году выступила 
в постановке «Любовные письма» по пьесе А. Герни. Вместе с героиней зрители прошли трудный, полный чудесных надежд, болезненных разочарований путь познания жизни и горького, иногда убийственно беспощадного самопознания.

Екатерина Дмитриевна в разное время играла роли в спектаклях: «Дворянское гнездо» И.С. Тургенева в роли Жюстины, «Последние» Максима Горького, «Мещанин во дворянстве» Ж.-Б. Мольера, «Макбет» У. Шекспира, «Антигона» Ж. Ануй, «Ложь на длинных ногах» Э. де Филиппо, «Таланты и поклонники» А.Н. Островского, «Екатерина Ивановна» Л.Н. Андреева, «Васса Железнова» Максима Горького, «Ночь перед Рождеством» Н.В.Гоголя. Актриса умело и легко владеет комедийными красками, ей совсем не чужда игровая стихия. Что доказала постановка комедии А.Н. Островского «Таланты и поклонники».

В кино снимается не часто. Наиболее известны роли Варвары Егоровны в сериале «Опера-2. Хроники убойного отдела»; Татьяны Николаевны в исторической ленте «Казнить нельзя помиловать»; Галины Павловны в фильме «Мамочка, я киллера люблю». 

Толубеева является одним из учредителей премии имени Народного артиста России Андрея Юрьевича Толубеева, своего супруга. Премию присуждают за значительный вклад в развитие современного театра, радио, кино, телевидения и современной драматургии.

За многолетнюю плодотворную театральную деятельность удостоена Почетного звания «Заслуженная артистка России». Является Лауреатом специального приза Высшей театральной премии города Санкт-Петербург «Золотой Софит» за роль Маши в составе ансамбля исполнительниц спектакля «Три сестры».