Екатерина Михайловна родилась 16 августа 1827 в Санкт-Петербурге. Дочь великого князя Михаила Павловича и великой княгини Елены Павловны, внучка Павла I, она была третьим ребенком из пятерых в великокняжеской семье.

Её мать воспитывала дочь в строгом духе и сама руководила её образованием, лично подбирала преподавателей, которые должны были обучать великую княжну иностранным языкам, пению и рисованию. Потерявшая четырёх из пяти дочерей, Елена Павловна сконцентрировала своё внимание на Екатерине.

В 1849 году неожиданно скончался её отец, а через год Екатерина стала невестой герцога Георга Августа Эрнеста Мекленбург-Стрелицкого, кузена императрицы Александры Фёдоровны. Бракосочетание состоялось 4 февраля 1851 года в Санкт-Петербурге. Молодые поселились в Михайловском дворце вместе с великой княгиней Еленой Павловной.

Екатерина Михайловна занималась благотворительной деятельностью и состояла покровительницей нескольких учреждений.

Содействовала она и женскому образованию в России, являясь попечительницей разных учебных заведений.

В петербургском обществе Екатерина Михайловна занимала высокое положение, имела свой двор, была дамой строгой, хорошо знающей себе и своему рангу цену. После смерти матери в 1873 году она унаследовала Михайловский замок, построенный в 1822 году специально для её отца. В июне 1876 года великая княгиня овдовела: её муж скончался, едва перешагнув своё пятидесятилетие. Вдове же герцога Мекленбург-Стрелицкого предстояло прожить ещё восемнадцать лет.

30 апреля 1894 года великая княгиня и герцогиня Мекленбург-Стрелицкая Екатерина Михайловна скончалась. Её похороны были торжественными. За катафалком шел пешком сам император Александр III, за ним следовали его свита и высшие государственные сановники, представители иностранных династий.