Родилась 3 июня 1988 года в Санкт-Петербурге. В 2005 году окончила Французскую гимназию и поступила на режиссерский факультет РАТИ-ГИТИС (актерская группа Мастерской Сергея Женовача). С 2007 года занята в спектаклях «Студии театрального искусства».

В 2009 году окончила РАТИ-ГИТИС, принята в труппу театра.

Во время учебы сыграла в спектаклях «Снегурочка» (Снегурочку), «Лев Толстой. Сцены» (Соню, Александру Дмитриевну), «В чужом пиру похмелье» (Лизавету Ивановну), «Бесы» (Арину Прохоровну Виргинскую), «Vypoosknoj».
В 2022 году Катерина Васильева получила Благодарность министра культуры Ольги Любимовой «За вклад в развитие культуры и многолетнюю плодотворную работу».

Роли в спектаклях:
«Захудалый род» (Ольга Федотовна, Анастасия Львовна)
«Marienbad» (Эстер Сорокер)
«Записные книжки» (Беременная)
«Брат Иван Федорович» (Катерина Ивановна)
«Москва-Петушки» (Ангел Небесный)
«Шествие» (Ушедшая любовь, Голоса, Плач, Крысолов)
«Записки покойника» (Торопецкая Поликсена Васильевна)
«Самоубийца» (Модистка)
«Битва жизни» (Грейс; Миссис Сничи)
«Мастер и Маргарита» (Наташа, домработница Маргариты)
«Заповедник» (Татьяна, жена Бориса)
«Один день в Макондо» (летающее одеяло/первая дочь Фернанды)

Также была занята в спектаклях «Золушка» Театра «Практика» (реж. Марфа Горвиц), «С вечера до полудня» Театра «Приют комедианта»  (реж. Марфа Горвиц). Сегодня актриса Театра на Малой Бронной.

Фильмография:
«Преступление и наказание» (телесериал), режиссер Д. Светозаров, 2007 г.
«Качели» (короткий метр), режиссер В. Попов, 2010 г.
«Достоевский» (телесериал), режиссер В. Хотиненко, 2011 г.
«Отрыв» (телесериал), режиссер С. Попов, 2012 г.
«Оптимисты» (телесериал), режиссер А. Попогребский, 2017 г.
«Окурок», короткий метр, режиссер Н. Рыбников, 2017 г.
«Доктор Преображенский», режиссеры С. Тарамаев, Л. Львова, 2018 г.