Екатерина Сергеева окончила Санкт-Петербургскую государственную консерваторию имени Н. А. Римского-Корсакова (2005, класс профессора Евгении Гороховской). Лауреат Международного конкурса имени Павла Лисициана во Владикавказе (2006) и Международного конкурса вокалистов имени Зары Долухановой «Янтарный соловей» в Калининграде (2008), дипломант Международного конкурса имени Н. А. Римского-Корсакова в Санкт-Петербурге (2007, удостоена специального приза за лучшее исполнение современного произведения).
С 2004 года – солистка Академии молодых оперных певцов Мариинского театра, в 2017 году вошла в состав оперной труппы. Исполняет ведущие партии в операх «Жизнь за царя» Глинки (Ваня), «Борис Годунов» (Марина Мнишек, Царевич Фёдор) и «Хованщина» (Марфа) Мусоргского, «Царская невеста» (Любаша), «Снегурочка» (Лель), «Садко» (Любава) и «Кащей Бессмертный» (Кащеевна) Римского-Корсакова, «Князь Игорь» Бородина (Кончаковна), «Евгений Онегин» (Ольга), «Пиковая дама» (Полина, Миловзор) и «Иоланта» (Лаура) Чайковского, «Любовь к трем апельсинам» (Линетта, Николетта), «Игрок» (Бланш) и «Война и мир» (Элен Безухова, Княжна Марья) Прокофьева, «Идиот» Вайнберга (Аглая), «Свадьба Фигаро» Моцарта (Керубино), «Фальстаф» Верди (Мэг Пейдж), «Валькирия» Вагнера (Фрика, Зигруна), «Кармен» Бизе (заглавная партия), «Дон Кихот» Массне (Дульсинея), «Сказки Гофмана» Оффенбаха (Никлаус), «Сельская честь» Масканьи (Лола), а также в концертных версиях опер Массне «Вертер» (Шарлотта) и «Клеопатра» (заглавная партия), «Каменный гость» Даргомыжского (Лаура) и «Зори здесь тихие» Молчанова (Женька Комелькова).
Принимала участие в исполнении ряда опер Родиона Щедрина: «Не только любовь» (Варвара Васильевна), «Боярыня Морозова» (заглавная партия), «Лолита» (Шарлотта), «Левша» (Принцесса Шарлотта), «Очарованный странник» (Цыганка Груша) и «Рождественская сказка» (Царица, мировая премьера). В 2017 году была удостоена премии фонда Родиона Щедрина и Майи Плисецкой.
Сотрудничает с другими театрами в России и за рубежом. Исполняла партию Ольги в опере «Евгений Онегин» в Михайловском театре (режиссер – Василий Бархатов), Баварской государственной опере (режиссер – Кшиштоф Варликовский), берлинской Дойче Опер (режиссер – Гётц Фридрих) и на Глайндборнском фестивале (режиссер – Грэм Вик). Исполняла заглавную партию в опере «Кармен» на сцене Большого театра Женевы, участвовала в постановке оперы «Игрок» Прокофьева в Опере Монте-Карло (Бланш). На сцене Большого театра России выступала в операх «Дитя и волшебство» Равеля и «Каменный гость» Даргомыжского.
В концертном репертуаре певицы – партии в Мессе си минор и «Страстях по Матфею» Баха, ораториях «Мессия» Генделя и «Илия» Мендельсона, Девятой симфонии Бетховена и Восьмой симфонии Малера, «Свадебке» Стравинского, а также вокальный цикл «Из еврейской народной поэзии» Шостаковича и «Поэтория» Щедрина. В 2015 году исполнила сольную партию в симфонии The Rite of Winter 1949 («Зима священная 1949 года») Леонида Десятникова на юбилейном фестивале композитора в Москве. С труппой Мариинского театра гастролировала в Германии, Италии, Японии и США.
С марта 2024 года также – солистка Татарского академического государственного театра оперы и балета имени М. Джалиля. Лауреат Театральной премии Республики Татарстан «Тантана» за роль Вани в опере «Жизнь за царя» (2024).
