Екатерина Каравелова е родена на 21 октомври 1860 г. в Русе. Още десетгодишна заминава за Русия, а през 1878 г. завършва IV Московска женска гимназия със златен медал. След завръщането си учителства в Русе, Пловдив и София и до 1903 г. има общо 14 години учителски опит. В работата си настоява момичетата да получават не само основна грамотност, но и достъп до професионално и висше образование.

През 1880 г. се омъжва за Петко Каравелов. Домът им се превръща в място за срещи на политици, писатели и общественици, но Екатерина изгражда и самостоятелно обществено присъствие. Повече от 20 години ръководи общообразователното женско дружество „Майка“ и участва в развитието на девическото професионално училище „Мария Луиза“. През 1901 г. е сред учредителките на Българския женски съюз, а от 1915 до 1925 г. е негова заместник-председателка. Съюзът обединява женски дружества и поставя на дневен ред образованието, професионалната реализация и гражданското участие на жените.

Каравелова работи и в литературата. Превежда Лев Толстой, Фьодор Достоевски, Виктор Юго, Ги дьо Мопасан, Гюстав Флобер и Чарлз Дикенс, пише политически фейлетони, статии и литературна критика. Владеенето на няколко езика ѝ позволява да представя български каузи пред международна публика.

По време на Балканските войни е главна милосърдна сестра във Военното училище. По-късно оглавява българската секция на Международната женска лига за мир и свобода и представя страната на международни форуми във Вашингтон и Дъблин. За нея мирът е обществен ред, основан на права и демокрация, а не само отсъствие на сражения. На конгреса в Дъблин тя казва: „Нашият идеал не е мирът, който сключват правителствата, без да познават действителните тежнения на народите, а мирът на истинската демокрация.“

Един от най-драматичните епизоди в живота ѝ е свързан със затварянето на Петко Каравелов и други политически дейци в края на XIX век. Екатерина се обръща към чужди дипломатически представители заради отношението към арестуваните, след което е поставена под домашен арест и изправена пред съд с обвинение в предателство. В последната си дума заявява: „Направих това, което би направила всяка жена на мое място за своя мъж.“ Присъдата не е изпълнена, а случаят остава пример за нейната лична лоялност и убеждението, че властта трябва да носи отговорност.

След смъртта на съпруга си през 1903 г. тя продължава обществената си работа. През 1935 г. оглавява делегация, която настоява за отмяна на смъртни присъди за политически затворници, а участието ѝ в инициативи за защита на преследвани хора допълва образа ѝ на последователна защитничка на човешкото достойнство. Екатерина Каравелова умира на 1 април 1947 г. в София. Името ѝ остава свързано с въпроса как една жена може да превърне образованието и личната смелост в обществена сила.