Екатерина Вилкова родилась 11 июля 1984 года в городе Нижний Новгород. Ее семья была самой обычной, а потому мало чем отличалась от сотен и тысяч других нижегородских семей. Отец будущей актрисы работал электриком, а мама трудилась в качестве простого вахтера. Семья, как и все советские люди того периода, страдала от дефицита, девочке приходилось донашивать одежду за старшим братом. Однако, Катя все равно росла жизнерадостной девочкой, мечтающей, как вспоминает актриса, "о красивой жизни" вместе со своими подругами.
Родители рано отдали Катю на художественную гимнастику, где девочка делала большие успехи, получив звание кандидата в мастера спорта. Но спортивной карьере не суждено было сложиться: отдыхая в летнем лагере, школьница записалась в местный драмкружок и серьезно увлеклась театром. Ее страсть к сцене привела к поступлению, после школы в Евстигнеевское училище в Нижнем Новгороде. Была успешно зачислена на актерский факультет. Наставником актрисы стал заслуженный деятель искусств, театральный режиссер Василий Богомазов.
Во время учебы в "Евстигнеевке" талантливая студентка уже играла Офелию на подмостках Нижегородского драматического театра. Театральная биография Екатерины Вилковой началась за год до ее совершеннолетия.
Окончив училище с отличием в 2003 году, Вилкова решила не останавливаться на достигнутом и отправилась покорять столицу. Девушка подала документы сразу во все театральные вузы и успешно прошла конкурс в три из них. Выбор Вилковой пал на школу-студию МХАТ, куда будущая звезда была зачислена сразу на второй курс. Дипломной постановкой стала пьеса Александра Володина "С любимыми не расставайтесь", где Екатерина сыграла главную роль. Несмотря на большой успех спектакля, выпускница МХАТа все же решила связать свою жизнь с кино.
Кинодебют Екатерины Вилковой состоялся еще во время ее учебы в вузе. В 2005 году она успешно прошла кастинг и получила небольшую роль Софьи Голицыной в историческом приключенческом сериале "Сатисфакция", где также снимались такие звезды российского кинематографа, как Виктор Сухоруков, Марат Башаров и Александр Домогаров. Сотрудничество окрылило девушку, и после окончания вуза Вилкова стала пробоваться на роли первого плана.
Упорство и настойчивость сделали свое дело: за пять лет после выпуска из МХАТа Катя приняла участие в пятнадцати фильмах. Абсолютно разноплановые роли Вилковой в полной мере раскрыли многогранность таланта: Екатерина одинаково гармонично смотрелась и в роли непутевой провинциалки Анны в детективном триллере "Тот, кто гасит свет" режиссера Андрея Либенсона, и в образе яркой "чувихи" Бетси в нашумевшем мюзикле "Стиляги", снятого Валерием Тодоровским. Также она снялась в главной роли в фантастическом боевике "Черная молния".
2010 год ознаменовался участием преимущественно в комедиях. Вилкова исполнила главные роли в комедийной мелодраме "Самка" и юмористической офисной пародии "Суперменеджер или Мотыга судьбы", а также приняла участие в съемках новогоднего киноальманаха "Елки". Комедийное амплуа вызвало лавину предложений, и с того момента она снимается в фильмах развлекательного жанра. Сериалы также часто приглашают артистку на съемки.
Из последних киноработ актрисы можно отметить роль Шурочки в сериале 2014 года "Куприн", где Вилкова сыграла вместе с Михаилом Пореченковым. Съемочный график Кати расписан на годы вперед: уже заявлено ее участие в фильмах "Дуэлянт", "Судьба-злодейка" и "Викинг", премьеры которых планируются на 2016 и 2017 годы.