Е. В. Гельцер родилась 2 (14) ноября 1876 года в Москве в артистической семье. Отец — Василий Гельцер, артист балета Большого театра; дядя — Анатолий Гельцер — театральный художник.
В 1894 году по окончании Московской балетной школы работала в Большом театре.
В 1896—1898 годах выступала на сцене Мариинского театра. Выступала во многих постановках балетмейстера М. И. Петипа, что наложило большой отпечаток на творчество балерины.
С 1898 по 1935 годы Гельцер выступала на сцене Большого театра.
С 1910 года в составе антрепризы С. П. Дягилева принимала участие в гастрольных поездках за рубеж.После революции, когда почти всё звезды русского балета эмигрировали в Европу, она оказалась в положении «настоящей хозяйки Большого театра» .
Она первой из артистов балета удостоилась звания «народной» .
В околотеатральных кругах первенствующее положение столь возрастной балерины объясняли особым благоволением к ней со стороны наркома просвещения Луначарского.
В 1920-е годы Гельцер была связана узами брака со своим многолетним партнёром по сцене — Василием Тихомировым. Их творческий тандем сохранился и после того, как семья распалась. «И хотя у Тихомирова была новая семья, для балерины стало естественным ежедневно беспокоиться о нем, звонить по телефону» .Сценическая манера Екатерины Гельцер представляла собой синтез безукоризненной техники исполнения, музыкальности, выразительности танца с повышенным вниманием к внутренней жизни сценического образа. Огромный успех имела 50-летняя Гельцер в первом советском балете «Красный мак» .По официальной версии, детей у Гельцер не было, однако в 2005 г. телеканал «Культура» продемонстрировал документальный фильм, где утверждалось, что до революции Гельцер была едва ли не гражданской женой Э. Маннергейма, что они едва не обвенчались в 1924 г. в церкви на Поварской и что у них был общий сын Эмиль. Биографами Маннергейма эта информация не подтверждается.
В 1930-х годах Гельцер гастролировала по СССР. Её последние выступления состоялись в весьма преклонном возрасте, в 1942—1944 годах. Далее работала как педагог-консультант. Игорь Моисеев вспоминал о начале своей карьеры в Большом театре: Хоть Тихомиров и был хозяин театра, но прима-балерина Екатерина Васильевна Гельцер была хозяйкой Тихомирова.
К этому времени Гельцер была немолода и очень тяжела, поднимать её мог только Иван Смольцов.
Но и тот сорвал на ней себе спину. А Гельцер был нужен кавалер для гастролей.
И тогда кто-то ей посоветовал: «Попробуйте Моисеева, он спортсмен, он сильный» . <...> Мне всё это очень не нравилось, я был как бы на услугах. Однажды, помню, шла «Вакханалия» Сен-Санса — я подхватываю Гельцер на руки, начинаю кружить, кружить, кружить и... у меня уже перепуталось все — где зал, где задник, я бегу прямо на темные кулисы, а сзади них — стена, и с разбега я её брякаю об стену.Екатерина Гельцер жила в Москве, в доме артистов МХТ в Брюсовом переулке (№ 17).
В 1964 году на фасаде здания была установлена мемориальная доска в её честь (скульптор А. В. Пекарев, архитектор Г. П. Луцкий). Е. В. Гельцер скончалась 12 декабря 1962 года. Похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 3, фото могилы).