Окончила Московскую государственную консерваторию им. П. И. Чайковского, кафедра хорового дирижирования (класс профессора Владимира Суханова) и аспирантуру историко-теоретического факультета МГК (научный руководитель — доцент Роман Насонов). В 2010 году выиграла конкурс на стипендию DAAD, позволившую ей стажироваться в Высшей школе музыки и танца в Кёльне (класс профессора Маркуса Крида). С 2012 года преподает в МГК. В 2013 году защитила кандидатскую диссертацию на тему «Церковная музыка Бальдассаре Галуппи: проблемы изучения и исполнения».
В 2006 году основала вокальный ансамбль INTRADA, который в короткий срок стал одним из самых востребованных хоров российской концертной сцены и выступает с такими музыкантами, как Владимир Юровский, Михаил Плетнев, Жан-Кристоф Спинози и ансамблями Le Poème Harmonique, Il Giardino Armonico и др.
Екатерина Антоненко регулярно сотрудничает с ведущими европейскими коллективами, такими как: The Tallis Scholars (Лондон), Камерный хор RIAS (Берлин), Дрезденский камерный хор, — выступая на статусных площадках и фестивалях Европы.
С октября 2022 года главный хормейстер Пермского академического театра оперы и балета им. П. И. Чайковского. Хормейстер-постановщик спектаклей: «Летучий голландец» Вагнера (режиссер Константин Богомолов), «Бал-маскарад» Верди (режиссер Владиславс Наставшевс), «Человеческий голос» Пуленка—Горлинского (режиссер Дмитрий Волкострелов), «Ярославна» Тищенко — все четыре в 2023 году; «Тоска» Пуччини (режиссер Федор Федотов, 2024).