Екатерина родилась 21 апреля 1729 года. Отец её, принц Христиан-Август Ангольт-Цербстский, был младшим братом немецкого владетельного князя. Принц Христиан-Август был очень беден, и ему пришлось служить. Прусский король Фридрих Великий дал ему место губернатора Померании. Женой принца Христиана стала урождённая Иоанна-Елисавета Гольштейн-Готторпская Принц нежно любил свою жену и дочь, был образцовым семьянином, управлял Померанской провинцией и командовал пехотным Ангальт-Цербстским пехотным полком. Жили родители будущей императрицы бедно, в обыкновенном доме, а не во дворце. Известно, из записок Екатерины, что родители дали ей образование: у неё в детстве была гувернантка, француженка Кардель, и два учителя: капеллан Перо и преподаватель чистописания Лоран. Учили её и музыке — немец Религ давал ей уроки на клавесине. Благодаря своей гувернантке Екатерина II познакомилась с Расином, Корнелем, Мольером; учитель немецкого языка Ватер старался внушить ей любовь к немецкой литературе.

Мать Софьи-Августы-Фредерики-Эмилии (полное имя Екатерины) гордилась своим родством с русским императорским домом. Её двоюродный брат, принц Гольштейн-Готторпский был женат на родной сестре императрицы Елизаветы Петровны, Анне Петровне. А родной брат её, принц Карл-Август, епископ Любский, был женихом Елизаветы Петровны, с которым её помолвили при жизни ее матери, императрицы Екатерины I (второй жены Петра I). Елизавета Петровна страстно любила своего жениха, но он заболел незадолго до свадьбы и умер, к безграничному отчаянию своей невесты, которая всю жизнь с тоской вспоминала о нём. По всем этим причинам Гольштейн-Готторпский дом был особенно мил сердцу Елизаветы Петровны.

Вступив на престол и сослав маленького царя Иоанна Антоновича Браунивейгского с родителями в Архангельскую губернию, Елизавета Петровна сейчас же выписала своего племянника принца Карла-Ульрика, окрестила его в православную веру, нарекла Петром и назначила наследником престола. Цесаревич вырос, и императрица пожелала женить его. Прусский король выдвинул первой кандидаткой принцессу Фредерику — Амалию Ангальт-Цербскую. Петру сватали дочь польского короля Марианну и одну из французских принцесс. Но Фридрих Великий не хотел союза русского царского дома с Саксонией и Польшей.