Екатерина Михайловна Романова родилась (16) 28 августа 1827 года в Санкт-Петербурге. Дочь великого князя Михаила Павловича и великой княгини Елены Павловны, внучка Павла I, она была третьим ребенком из пятерых в великокняжеской семье.
Ее мать воспитывала дочь в строгом духе и сама руководила ее образованием, лично подбирала преподавателей, которые должны были обучать великую княжну иностранным языкам, пению и рисованию. Потерявшая четырёх из пяти дочерей, Елена Павловна сконцентрировала свое внимание на Екатерине.
В 1849 году неожиданно скончался ее отец, а через год Екатерина стала невестой герцога Георга Августа Эрнеста Мекленбург-Стрелицкого, кузена императрицы Александры Федоровны. Бракосочетание состоялось 4 февраля 1851 года в Санкт-Петербурге. Молодые поселились в Михайловском дворце вместе с великой княгиней Еленой Павловной.
Екатерина Михайловна занималась благотворительной деятельностью и состояла покровительницей нескольких учреждений. Содействовала она и женскому образованию в России, являясь попечительницей разных учебных заведений.
В петербургском обществе Екатерина Михайловна занимала высокое положение, имела свой двор, была дамой строгой, хорошо знающей себе и своему рангу цену.
После смерти матери в 1873 году она унаследовала Михайловский замок, построенный в 1822 году специально для её отца. В июне 1876 года великая княгиня овдовела: её муж скончался, едва перешагнув своё пятидесятилетие. Вдове же герцога Мекленбург-Стрелицкого предстояло прожить ещё восемнадцать лет.
(30 апреля) 12 мая 1894 года великая княгиня и герцогиня Мекленбург-Стрелицкая Екатерина Михайловна скончалась в Санкт-Петербурге. Ее похороны были торжественными. За катафалком шел пешком сам император Александр III, за ним следовали его свита и высшие государственные сановники, представители иностранных династий.
