Екатерина Семенова родилась в 1961 году в Москве. Ее отец был артиллеристом, курсантом военной академии, а мать — дочерью полка на Первом Белорусском фронте. Всю Великую Отечественную войну они прошли вместе и поженились после войны. Отец работал инженером, а мать закончила курсы стенографисток и швей, но не работала.
После смерти родителей, Екатерину взяла к себе в семью старшая сестра Людмила. С самого рождения Екатерина страдала астигматизмом и видела только на 40%, но не носила очки. Она увлекалась музыкой и пением, окончила детскую музыкальную школу по классу фортепиано и играла в вокально-инструментальном ансамбле Первомайского района Москвы.
После окончания средней школы, в 1978 году, Екатерина устроилась ма́рочницей в кафе «Эврика», чтобы снабжать семью продуктами. Затем пошла работать санитаркой в автоклавной санитарно-эпидемиологической станции, где она мыла различные колбы, пробирки и чашки Петри для медицинских анализов. Однако, вследствие неосторожного обращения с этими предметами, Екатерина заразилась закрытой формой туберкулёза лёгких. Больше года она находилась на лечении в противотуберкулёзном диспансере. По рекомендации врачей, она начала петь для разработки лёгких. Выписавшись из диспансера, Екатерина не могла найти работу из-за перенесенного инфекционного заболевания, но ее лечащий врач договорилась, чтобы ее взяли на работу в ветеринарную клинику на должность делопроизводителя.
Екатерина Семенова начала свою музыкальную карьеру в 1980 году, когда приняла участие в конкурсе молодых исполнителей «Золотой камертон», который организовали газета «Комсомольская правда» и фирма «Мелодия». Семенова победила в этом конкурсе, исполнив песню Юрия Антонова «Весна».
После победы Екатерина получила приглашение работать в ансамбле «Девчата» Московской областной филармонии и записала песню «Подруги замужем давно», ставшую ее первым хитом в 1986 году. Она также принимала участие в детских телевизионных передачах, записывала песни для этих программ, и участвовала во многих других музыкальных мероприятиях.
В 1982 году Юрий Антонов пригласил Семенову в свою группу «Аэробус», где она солировала в течение двух лет. Однако певица была уволена из группы из-за отказа ехать в гастроли после свадьбы.
В 1985 году Семенова выступала на Всемирном фестивале молодежи и студентов, где пела с детскими коллективами, а также заняла второе место среди лучших певиц СССР в хит-параде газеты «Московский комсомолец». В 1986 году Семенова и ее муж создали группу «Алло». В этом же году Центральное телевидение Гостелерадио СССР транслировало ее старую песню «Подруги замужем давно», а на новогоднее представление была включена песня «Школьница». В дальнейшем Семенова записывала свои сольные альбомы и пела на многих музыкальных фестивалях.
В 1986 году Екатерина Семенова вместе с Вячеславом Малежиком начала вести телевизионную программу «Шире круг». Она была посвящена народному творчеству, и в ней выступали известные эстрадные артисты и представители самодеятельности. С 1989 года Семенова стала автором песен, которые она сама исполняла, а в 1991 году создала музыкально-экспериментальный театр «Катя». В этом же году она дебютировала в кино, сыграв в фильме «Хищники» и исполнив песню Косарева и Антонова «Влюбленный чудак». В 1992 году она снялась в фильме «Оплачено заранее» и познакомилась с Михаилом Церишенко, с которым начала роман, приведший к разводу с Батуриным.
С тех пор Семенова полностью перешла к авторскому творчеству, стала писать музыку и петь песни собственного сочинения, а также озвучивать песни ко многим фильмам и телепрограммам. Она перестала появляться в музыкальных телешоу, за исключением нескольких программ, таких как «Рождественские встречи Аллы Пугачевой».
С 1999 по 2000 годы Семенова вела передачу «Звездная компания» на радиостанции «Говорит Москва». В 2011 году состоялся концерт, посвященный ее 50-летию. В 2019 году она приняла участие в IV сезоне проекта «Три аккорда» на Первом телеканале и получила Приз зрительских симпатий. 13 мая 2021 года состоялся Юбилейный Творческий вечер Екатерины Семеновой в Москве. Она также активно участвует в программах о театре, выступает с концертами и пишет музыку.