Катерина Ковальчук родилась 20 февраля 1993 года в Сыктывкаре. Выросла в Сыктывкаре с матерью, отчимом и единоутробной сестрой. Есть единокровная старшая сестра — Анна Ковальчук (род. 15.06.1977), актриса.
Окончив школу, девушку переехала в Санкт-Петербург к отцу, с которым не была знакома до 17 лет, и поступила в Санкт-Петербургский институт гуманитарного образования на актерский курс Ивана Краско.
Во время учебы в вузе молодая актриса сыграла в театральных постановках «Август: Графство Осейдж» (Вайолет), «Травести» (Карр, Беннет, Тцара, Сесили Гвендолен), «Семь мисок, семь ложек» (Баба Люся), «Фантазии Фарятьева» (Любочка) и «Хористка» (Барыня).
Помимо игры на театральной сцене, Катя снялась в массовке сериала «Жена офицера», а также исполнила роль русской эмигрантки Камден в американской исторической короткометраже «Рядовой» (2015).
В 2015 году Ковальчук окончила в Санкт-Петербургский институт гуманитарного образования.
В 2016 году Катерина сыграла свою первую роль Жанны Снежковой в сериале «Ментовские войны 10».
В 2017-2019 годах актриса снялась в сериалах «Чудотворная, «Министерство», «Крепостная», драме «Исступление» (2018), а также в испанских короткометражных лентах «Oques Grasses: Torno a ser jo (Chapter 1. Fans del Sol)» и «Oques Grasses: In the Night (Chapter 2. Fans del Sol)».
Широкая известность пришла к Катерине Ковальчук в 2020 года благодаря роли Кати в комедийном сериале режиссеров Рустама Мосафира, Заура Болотаева и Михаила Шулаева «Гусар», где ее партнером стал актер и юморист Гарик Харламов. На съемочной площадке телефильма у Катферины и Гарика начался бурный роман.
6 мая 2024 года Катерина Ковальчук обручилась с Гариком Харламовым. 6 июня того же года Ковальчук и Харламов сыграли свадьбу.
В 2022 году актриса исполнила главные роли в 9-серийном фантастическом телепроекте «Наследие» и 8-серийном криминальном детективе «На страже пляжа».
В 2024 году на экраны вышли продолжение полюбившегося зрителям телепроекта «На страже пляжа-2», а также 13-серийный телефильм «Повышая градус», главные роли в которых исполнила Ковальчук.
Рост Катерины Ковальчук — 163 см, вес — 46 кг.
В 2024-м Катерина снялась вместе с Гариком Харламовым во втором сезоне сериала «Гусар», а также сыграла роль Евы в комедии режиссеров Гайка Асатряна и Дениса Гуляра «Любовь зла».
В 2025 году Ковальчук исполнила заглавную роль Насти в 17-серийном комедийном телефильме режиссера Никиты Андриенко «Знахарь», а также снялась в совместном проекте Великобритании и ЮАР «Сокровища китайских морей» (The Treasure of the Chinese Seas).