Екатерина Сычева родилась в Москве. Обучалась в школе-студии при Московском театре «Арлекин» под руководством Сергея Мелконяна, Московском гуманитарном актерском лицее при мюзикл-театре «Монотон» под руководством Александра Грезнева, Академическом музыкальном училище при Московской государственной консерватории имени П. И. Чайковского (дирижерско-хоровое отделение), Российской академии музыки имени Гнесиных (кафедра музыкальной звукорежиссуры) и Российской академии театрального искусства (мастерская Романа Виктюка).
Лауреат Международного конкурса-фестиваля «Вятские узоры» (Киров, 2010).
В 2005–2013 гг. сотрудничала с Театром Романа Виктюка (спектакли «В ожидании Годо» и «Масенькие супружеские преступления»), в 2009–2011 гг. – с Молодежным музыкальным театром «Лотос» (мюзиклы «Ночь перед Рождеством» и «Настоящее чудо»). В 2007–2009 гг. работала в Польском театре в Москве под руководством Евгения Лавренчука и Международном театральном центре при Театре Романа Виктюка («Ромео и Джульетта» Шекспира»).
В 2008–2012 гг. – актриса Московского государственного академического Детского музыкального театра имени Н. И. Сац, где участвовала в постановках опер «Игра о Душе и Теле» Кавальери, «Волшебная флейта» Моцарта, «Принцесса и свинопас» Владимира Кобекина, «Принц и нищий», «Повелитель мух» и «Дюймовочка, или Чудесный полет» Ефрема Подгайца, «Королевский бутерброд» Георгия Портнова, «Дитя и волшебство» Равеля, мюзикла «Царевна-лягушка» Игоря Якушенко.
С 2014 года сотрудничает с Московской филармонией (участница музыкально-литературных композиций), с 2016 года – с «Театриумом на Серпуховке» (мюзикл «Спящая красавица») и театральной компанией «КрисАрт» (спектакль «Фантазеры»), с 2020 года – с театром «Трикстер» (главные роли в спектаклях «Орфей и Эвридика» Глюка, «Король Артур» Пёрселла).
Участвовала в съемках передач «Поэтический театр Романа Виктюка» и «За кулисами». Снималась в фильмах «Три минуты мгновения», «Больше, чем любовь. Казус Прокофьева», телесериалах «Казус Кукоцкого», «Врачебная тайна», «Затмение», «Две сестры», «Кремлевские курсанты», «Команда Че», «Слепая», «Гадалка» и других.
