Bà chào đời tại Stettin vào ngày 21 tháng 4 năm 1729, trong một gia đình quý tộc Phổ với tên khai sinh là Sophie Friederike Auguste von Anhalt-Zerbst-Dornburg. Sophie là con gái của công tước Christian August thuộc xứ Anhalt-Zerbst, người từng phục vụ triều đình Phổ trước khi trở thành toàn quyền xứ Stettin (nay là Szczecin, Ba Lan). Bà còn là họ hàng gần của hai vua Thụy Điển là Gustav III và Karl XIII. Ngay từ khi còn nhỏ, bà đã được hưởng nền giáo dục Pháp, và được đánh giá là có tính cách nam nhi, với tên gọi Fike.[2]

Năm 14 tuổi (1743), Sophie được gả cho Thái tử của nước Nga, vì những toan tính chính trị của mẹ bà. Một năm sau (1744), Sophie tới Sankt-Peterburg. Cùng năm, bà cải đạo sang Chính Thống giáo Nga. Với tôn giáo mới, bà có tên mới là Ekaterina, phiên ra tiếng Anh là Catherine.