Екатерина Михайлова е родена на 24 октомври 1956 г. в Пазарджик. Баща ѝ е лекар, майка ѝ е учителка, а в семейството няма други юристи. Като дете мечтае да стане балерина, по-късно се увлича по архитектурата и литературата, но в крайна сметка избира правото. Този избор не е посрещнат с одобрение от баща ѝ, който смята, че професията е тясно свързана с политиката.

Михайлова завършва право в Софийския университет „Св. Климент Охридски“ през 1978 г. През 1979 г. започва като стажант-съдия в Пазарджишкия окръжен съд, а от 1980 г. е адвокат в Пазарджишката адвокатска колегия. По-късно се насочва към преподаването и научната работа. От 2013 г. е щатен преподавател в департамент „Право“ на Нов български университет, където води курсове по конституционно право, история на българската държава и право, нормотворчество, парламентарна държава и граждански права.

През 2007 г. получава званието почетен професор на НБУ за принос към теорията и практиката на парламентарната държава. През 2014 г. защитава докторска дисертация по политически науки за ролята на държавния глава в законодателния процес, а през 2016 г. става професор по история на държавата и правото. Сред научните ѝ трудове е книгата „Парламентаризъм и правова държава в България“, а публикациите ѝ са посветени на конституционното право, гражданските права и работата на държавните институции.

Извън професионалните си ангажименти Михайлова има траен интерес към музиката – посещава симфонични концерти и опера. Признава, че обича да пее, но го прави „безобразно фалшиво“ и предпочита да пее вкъщи, „да не чуе никой“. Професионалния си път описва като разделен на три части – адвокат, политик и преподавател, обединени от постоянното заставане пред публика: в съдебната зала, парламента или университетската аудитория.