Екатерина родилась в семье графа Семёна Романовича Воронцова от его брака с фрейлиной Екатериной Алексеевной Сенявиной. Ей было 10 месяцев, когда от чахотки умерла её мать, уже носившая в себе зачатки грудной болезни при рождении дочери. Поэтому Екатерина в молодости была болезненной и слабой, что очень тревожило её отца, любившего её до обожания.