Родилась в семье научных работников. В Москве, 10 июня 1974 года. Отец — Александр Владимирович Лычев, мама — Марина Анатольевна Игнатьева, сотрудник Института мировой экономики и международных отношений, кандидат экономических наук. Дедушкой Кати был популярный актёр театра и кино Анатолий Игнатьев, известный по фильму "Рядовой Александр Матросов", где сыграл главную роль Героя Советского Союза Александра Матросова закрывшего грудью пулемётную амбразуру в бою за свою Родину.
Родители стремились сделать из Кати разностороннюю личность: девочка с четырех лет изучала английский язык, занималась спортом, училась одновременно в английской спецшколе и в художественной школе. Катя снималась в кино и была известна в 1980-е годы. Но популярность девочке подарило не актерское мастерство, а поездка в США в роли «посла доброй воли». Произошло это в 1986 году. Ее предшественницей была американка Саманта Смит, которая приезжала в Советский Союз в 1983 году по специальному приглашению Андропова. А уже в начале 1985 года было принято решение об организации ответного визита. Проводился конкурс, участников было около шести тысяч, но выбор пал на Катю.
С 21 марта по 4 апреля 1986 года она вместе с американской школьницей из города Сан-Франциско Стар Роу (англ. Star Rowe) совершила поездку по США с пропагандой мира, в ходе которой посетила несколько городов США и встретилась с президентом Рональдом Рейганом. Поездка широко освещалась советскими средствами массовой информации, на непродолжительное время Катя стала довольно популярной в Советском Союзе, в особенности среди школьников, но по прошествии пары лет практически исчезла со страниц газет и телевизионных экранов.
Из интервью газете "Уральский рабочий"
"В 1988 году, когда мне было 13 лет, мама получила стипендию французского президента Франсуа Миттерана, и наша семья уехала в Париж. Там я получила экономическое и юридическое образование. С 1995 года работала в правительственной структуре — в Парижском центре содействия иностранным инвестициям, обеспечивала крупные промышленные проекты.
В 2000 году вернулась в Россию, стала трудиться в министерстве труда и социального развития, курировала социальные проекты. А с февраля 2004 года работаю в федеральном агентстве по наукоемкой промышленности. Семьи пока нет, вот поэтому и путешествую по миру.
— Катя, как ты думаешь, нужна ли была такая международная акция?
— Конечно, нужно было представить СССР с хорошей стороны, показать, что наша страна открыта миру. И русской школьнице Кате Лычевой, как мне кажется, это удалось."
С 2004 года — сотрудник Федерального агентства по наукоёмкой промышленности (по другим данным — НП «Объединённый авиастроительный консорциум»). Принципиально не участвует в телевизионных шоу и не даёт интервью центральным газетам, иногда делая исключение для региональных изданий.
С 2009 года Екатерина Александровна стала вице-президентом ОАО "АвтоВАЗ" - в зоне ее ответственности было взаимодействие с альянсом. Любопытно, что до 2008 года среди топ-менеджеров гиганта отечественного автопрома женщин не было. Рассказывают, что руководившего с 2007 по 2009 год "АвтоВАЗом" Бориса Алешина с Лычевой связывала крепкая дружба.
Екатерина Александровна интервью не дает принципиально, в ток-шоу не участвует категорически, а потому ее назначение тоже породило массу слухов. Журналисты разных СМИ писали, что ей будто бы выделили шикарный дом в Тольятти, где она останавливается, когда приезжает из Москвы по рабочим вопросам. А зарплату ей назначили аж в миллион рублей.
По некоторым данным, в 2011 году Лычева ушла в декрет. После этого о ней ничего не известно. Скорее всего, когда-то самая известная советская девочка в мире сейчас полностью занята воспитанием своего ребенка.