Aos 14 anos, é destinada para o casamento com o grão-duque Pedro, herdeiro do trono russo. Chega à Rússia em 1744 e se casa no ano seguinte. Na época, quem reinava era a imperatriz Elisabeth. Quando ela morre, em 1762, o marido de Catarina assume o trono como Pedro III. Violento e alcoólatra, é odiado pelos súditos, ao passo que Catarina tem o apoio da corte e do povo.
Poucos meses depois da posse, um golpe de estado obriga Pedro III a abdicar e, oito dias depois, ele é assassinado. Embora suspeita de tramar a morte do marido, Catarina é coroada imperatriz. Durante seu reinado, de 34 anos, a Rússia conquista parte da Polônia em 1764, ganha territórios da Turquia em 1774 e anexa o oeste da Ucrânia em 1792.
A imperatriz funda escolas, desenvolve as comunicações e desapropria as terras do clero, que na época possuía um terço do total de propriedades e servos da Rússia. Corresponde-se com filósofos, principalmente com os enciclopedistas franceses Diderot e Voltaire, e procura governar segundo os ideais deles. Funda a Universidade de Moscou, tolera todas as seitas religiosas e inibe a tortura e a pena de morte. Morre em São Petersburg.