Отдыхая в летнем лагере, школьница записалась в местный драмкружок и серьезно увлеклась театром. Страсть к сцене привела к тому, что после школы Вилкова подала документы в Нижегородское театральное училище имени Евстигнеева и была зачислена на актерский факультет. Наставником будущей актрисы стал заслуженный деятель искусств России, театральный режиссер Василий Богомазов, который был учеником легендарного педагога и театрального режиссера Георгия Товстоногова.
Во время учебы в «Евстигнеевке» талантливая студентка уже играла Офелию на подмостках Нижегородского драматического театра.
Окончив училище в 2003 году, молодая девушка решила не останавливаться на достигнутом, отправилась покорять столицу. Екатерина подала документы сразу во все театральные вузы и прошла конкурс в 3 из них. Выбор Вилковой пал на школу-студию МХАТ, куда будущая звезда была зачислена сразу на 2 курс и училась в студии Игоря Золотовицкого и С. И. Земцова. Дипломной постановкой стала пьеса Александра Володина «С любимыми не расставайтесь», где Екатерина Вилкова сыграла главную роль. Несмотря на успех спектакля, выпускница МХАТа все же решила связать жизнь с кино.
Кинодебют Екатерины Вилковой состоялся еще во время учебы в вузе. В 2005 году будущая актриса успешно прошла кастинг и получила роль Софьи Голицыной в историческом приключенческом сериале «Сатисфакция», где также снимались звезды российского кинематографа: Виктор Сухоруков, Марат Башаров и Александр Домогаров. Такое сотрудничество окрылило девушку, и после окончания вуза Вилкова стала пробоваться на роли первого плана.
Упорство и настойчивость российской актрисы сделали свое дело. За 5 лет после выпуска из МХАТа Екатерина поучаствовала в 15 фильмах. Разноплановые роли Вилковой в полной мере раскрыли многогранность таланта молодой актрисы.
Екатерина Вилкова в фильме "Стиляги".
Екатерина одинаково гармонично смотрелась и в роли непутевой провинциалки Анны в детективном триллере «Тот, кто гасит свет» режиссера Андрея Либенсона, и в образе яркой «чувихи» Бэтси в мюзикле «Стиляги», снятого Валерием Тодоровским. Также Вилкова снялась в главной роли в фантастическом боевике «Черная молния», который был номинирован на премии MTV Awards и «Золотой орел».
2010 год ознаменовался участием преимущественно в комедиях. Вилкова исполнила главные роли в комедийной мелодраме «Самка» и юмористической офисной пародии «Суперменеджер, или Мотыга судьбы», а также поучаствовала в съемках новогоднего киноальманаха «Елки». Комедийное амплуа вызвало лавину предложений, и с того момента актриса снимается преимущественно в фильмах развлекательного жанра. Создатели сериалов часто приглашают артистку на съемки.
Екатерина Вилкова в сериале "Куприн".
Из последних киноработ актрисы зрители отмечают роль Шурочки в телесериале «Куприн», где Вилкова сыграла вместе с Михаилом Пореченковым.
Екатерина Вилкова сыграла старшего сержанта Кирьянову в римейке популярного военного фильма «А зори здесь тихие...»
Съемочный график Екатерины расписан на годы вперед, создатели многих кинолент желают видеть актрису именно в своих фильмах.
Екатерина Вилкова с мужем Ильей Любимовым.
Актриса замужем за своим коллегой по цеху. Между актерами вспыхнул роман, завершившийся официальным бракосочетанием, в 2011 году Екатерина Вилкова и Илья Любимов поженились. Во время «выкупа невесты» жениху пришлось вскарабкаться на 4 этаж дома возлюбленной.
Екатерина Вилкова и Илья Любимов.
Надо отметить, что супруг Екатерины долгое время считался отчаянным повесой и бабником. Но в к какой-то момент он понял тщетность такой жизни и пришел к Богу. Сейчас Илья — набожный человек, который соблюдает пост, регулярно ходит в церковь, соблюдает традиции Православия, поэтому супруги не ограничились ЗАГСом и обвенчались. Таинство венчания состоялось в Храме священномученика Антипы.
Екатерина Вилкова с детьми.
Екатерина Вилкова и Илья Любимов растят двоих детей: дочку по имени Павла (родилась 11 февраля 2012-го года) и сына Петра (родился 6 апреля 2014-го года).
Екатерина Вилкова и Илья Любимов с сыном Петей.
Екатерина рада, что супруг полностью освободил ее от домашних хлопот, а потому женщина больше отдыхает, а свободное от съемок время посвящает детям. Когда знаменитость работает, за малышами присматривает няня, а за чистоту отвечает домработница. Тем не менее актрисе не чужды дела по домашнему хозяйству. Она стала настоящей хранительницей очага и даже приобрела новое хобби — любую свободную минуту актриса проводит за вязанием. В вещах, которые создала Екатерина, щеголяет вся ее семья. Совсем недавно она много времени проводила за бисероплетением, но сейчас это увлечение ушло в прошлое.
В 2016 году на экраны вышел комедийный сериал «Отель Элеон», спин-офф ситкома «Кухня». Картина повествует о комических и драматических ситуациях внутри коллективов пятизвездочного ресторана Victor и бутик-отеля Eleon. В этой киноленте Екатерина Вилкова проявила себя блестяще, сыграв роль Софии Яновны, критики и зрители фильм назвали лучшей в карьере актрисы.
2017 год стал успешным продолжением в карьере актрисы. В феврале вышел фильм «Одноклассницы: Новый поворот», в котором Вилкова сыграла роль Светы, а на октябрь запланирована премьера ленты «Последний богатырь».
Екатерина Вилкова в сериале "Гостиница "Россия".
16 октября 2017 года на Первом канале стартовал сериал «Гостиница "Россия"», в котором актриса сыграла одну из главных ролей. Ее героиня - Ксения Романовна Баскакова, сотрудница орготдела гостиницы «Россия». Она работает в атмосфере подозрительности и интриг. Положение Ксении осложняется беременностью от никарагуанца Мануэля.