Екатерина родилась в Петербурге незадолго до свержения её матери, правительницы при сыне-младенце, объявленном царём Иоанном VI по завещанию скончавшейся императрицы Анны Иоанновны. После дворцового переворота в декабре 1741 года девочка с родителями отправилась в ссылку.
В пятилетнем возрасте Екатерина осталась без матери, скончавшейся в 1746 году на севере России в Холмогорах. Отец, герцог Брауншвейгский, умер в 1774 году, а шесть лет спустя по договорённости вдовствующей датской королевы Юлианы Марии, родной сестры герцога, с императрицей Екатериной II принцесса вместе с двумя младшими братьями и сестрой была отправлена на жительство в Данию. Для них в небольшом городе Горсенсе были куплены два дома, перестроенные в одно здание. Поскольку дети были воспитаны в православной вере, при доме была устроена небольшая церковь с русским священником. На содержание бывших пленников из царской казны выделялся ежегодный пансион в 32 тысячи рублей.
В Дании к детям герцога Брауншвейгского отнеслись как к особам знатного рода, им был дарован титул принца и принцесс. С 1798 года после смерти младшей сестры и братьев Екатерина осталась одна в окружении датской прислуги, с которой она не имела возможности в должной мере общаться, так как не знала никакого языка, кроме русского, да ещё страдала глухотой. Слух она потеряла ещё в юности, была косноязычна и часто могла объясняться лишь знаками. Жизнь в Дании стала немила.
Испытывая муки одиночества, принцесса Екатерина в августе 1803 года написала императору Александру I письмо с просьбой разрешить ей вернуться в Россию. В нем были и такие строки:
Со смертью принцессы Екатерины Антоновны пресеклось потомство царя Иоанна Алексеевича, сводного брата Петра I.
После себя она оставила завещание, которым назначила наследного принца Фредерика, внука королевы Юлианы, и его потомков наследниками всего своего движимого и недвижимого имущества.
Царевна, герцогиня Мекленбургская, дочь царя Иоанна V и Прасковьи Фёдоровны Салтыковой, племянница императора Петра I.
Екатерина родилась 29 октября 1691 года в Москве. Спустя четыре года после её рождения умер царь Иоанн, её отец. Мать с тремя малютками (после Екатерины у Прасковьи Фёдоровны родились ещё две дочери) осталась вдовой. Местом её проживания стал Измайловский дворец, расположенный в живописной местности неподалёку от Москвы. Там и прошли детские годы будущей герцогини Мекленбургской.
Как и сестёр, Екатерину обучали грамоте и прочим наукам. Воспитание своих дочерей вдовствующая царица доверила гувернёру, приглашённому из Германии, поскольку немцы в те времена считались лучшими учителями и пользовались особым почётом. Для преподавания музыки и танцев к девочкам был приставлен француз. Катерина, как звала её мать, особенно преуспевала именно в танцах.
22 марта 1708 года семья отправилась жить в Санкт-Петербург, новую российскую столицу. Царице Прасковье с дочерьми был отведён большой дом в полную собственность. Дальнейшую судьбу царевен мать предоставила их царствующему дяде. Пётр Первый же распорядился соответственно планам своей политики. Желания или нежелания племянниц в расчёт не принимались.
Сначала была выдана замуж младшая сестра Екатерины, Анна, будущая императрица. Лишь шесть лет спустя жених был определён и для старшей дочери вдовы Иоанна V, любимицы матери, который шёл уже двадцать пятый год. Рано располневшую белолицую румяную племянницу Петра I с большими чёрными глазами и длинной косой нельзя было назвать красавицей, но она обращала на себя внимание жизнерадостностью, резвостью, громким смехом и особенно своим острым языком. Царевна способна была говорить без умолку, допуская порой такие резкости, что приводила в смущение даже бывалых «остряков».
Руки царской племянницы через своего посла попросил герцог Мекленбургский Карл Леопольд, возлагая на этот брак большие честолюбивые надежды. 8 марта 1716 года в Данциге состоялась первая встреча жениха и невесты. Сам царь Пётр представил герцогу его будущую жену. После тщательного обсуждения был подписан брачный договор: царевна, как и весь русский штат, оставалась в своей вере, а в резиденции мужа будет православная церковь.