Екатерина родилась в Москве в 1980 году. Ее отец был военным. Помимо Кати в семье воспитывалась еще одна дочь. Родители актрисы расстались, когда ей было 10 лет. После этого замуж она еще раз так и не вышла. Чтобы дать девочкам все необходимое, в том числе и образование, их мать работала сразу в нескольких местах одновременно.

Катя рано проявила свои способности к точным наукам, потому с 1 по 8 класс посещала школу с математическим уклоном. Девочка мечтала стать физиком, но ее планы изменились, когда Вуличенко прошла кастинг на роль в киножурнале «Ералаш». Девочке предложили сыграть в небольшом эпизоде, но и этого хватило, чтобы Катя влюбилась в искусство.

С 8 класса она начала посещать школу с театральным уклоном. Она окончила ее в 1997 году, а затем поступила в Щепкинское театральное училище. В том же году актриса впервые появилась на телеэкранах во взрослой роли в триллере «Змеиный источник». На момент съемок в этом проекте Екатерине было 16 лет.

После окончания «Щепки» Екатерина стала частью труппы театра «Модерн». Также она продолжила сниматься в кино. Вуличенко снялась в таких известных проектах, как «Звезда», «Джек-пот для Золушки», «На безымянной высоте», «Самара-городок», «Офицеры», «Шифр».

В первый раз Екатерина вышла замуж в 26 лет. Судьбоносная встреча с Денисом Трифоновым произошла в аэропорту, когда актриса летела из Москвы в Киев. Денис на тот момент окончил Оксфорд, жил в Лондоне. Влюбленные стали встречаться, а затем поженились. В 2007 году у них родилась дочь София. Отношения складывались непросто, ведь супругам приходилось жить на две страны.

Екатерина не соглашалась переезжать в Лондон, так как не видела там перспектив в карьере. Денис же не собирался терять престижную работу в Великобритании. Частые разлуки и разногласия привели семью к распаду. Екатерина и Денис развелись в 2014 году.

Чуть позднее Вуличенко на одной из вечеринок друзей познакомилась с бизнесменом Маратом Гуданаевым. Предприниматель тогда сразу признался, что женат и воспитывает двоих детей. Однако на тот момент он находился в бракоразводном процессе. Екатерине пришлось доказывать, что она не уводила Марата из семьи. Актриса дала несколько интервью, в которых утверждала, что Марат с бывшей супругой расстался не из-за нее.

В 2017 году актриса вышла замуж за бизнесмена. Через год у пары родился сын Александр. Сейчас Екатерина и Марат живут счастливо вместе, путешествуют и строят планы на будущее.