Екатерина родилась в Нижнем Новгороде в семье обычных рабочих. Отец актрисы трудился электриком, а мать вахтером. Вместе они тянули двоих детей.
У Вилковой есть старший брат, за которым она в детстве донашивала одежду. Повзрослев, девушка сама начала зарабатывать себе на наряды. Она раздавала листовки на улице и бралась за другие предложения для школьников.
Жила семья девушки в коммунальной квартире без горячей воды. Условия проживания были настолько скромными, что позже, когда Екатерина была зачислена в Школу-студию МХАТ, общежитие с евроремонтом ей показалось дворцом.
В школе актриса училась хорошо, особенно легко ей давались физика и математика.
Также звезда занималась художественной гимнастикой, она даже имеет звание кандидата в мастера спорта. Вплоть до старших классов Вилкова планировала стать учителем физкультуры или тренером.
Решение артистки изменила поездка в летний лагерь, где она посещала драмкружок и влюбилась в актерскую профессию. Откладывать воплощение своих планов в долгий ящик Екатерина не стала и в 14 лет поступила в нижегородское театральное училище. Параллельно актриса была занята в местном театре, где играла Офелию.
После окончания училища талантливую девушку без проблем приняли в Школу-студию МХАТ, однако после получения диплома в труппу театра МХАТ не зачислили. Это обстоятельство, а также личные качества звезды повлияли на то, что Вилкова театральной сцене предпочитает съемочную площадку. По признанию артистки бесконечные репетиции ее утомляют, она всегда нацелена на быстрый результат.
Екатерина очень педантичный человек, любит, чтобы все было разложено по полочкам. Актриса может подолгу спорить с реквизиторами по поводу таблетницы для ее героини, ведь, по ее мнению, даже мелочи и предметы должны полностью соответствовать образу.
Вилкова не любит светские мероприятия, дома в кругу семьи она чувствует себя гораздо уютнее и счастливее. Но вот пройтись по магазинам звезда никогда не откажется и даже считает себя шопоголиком.
Большую часть времени, как призналась сама Екатерина, она проводит в спортивном костюме. Это ее обычный повседневный наряд.