Екатерина Хилкова родилась в 1827 году в Тамбове.
В 1852–1856 годах Екатерина училась на женском отделении петербургской Рисовальной школы как вольнослушательница. Официальное право учиться там женщины получили только в 1893 году. В 1855 году она получила Малую серебряную медаль за картину «Внутренний вид женского отделения Петербургской рисовальной школы для вольноприходящих». Обозреватель журнала «Отечественные записки», сравнивая это произведение с другими картинами женщин–художниц на выставке Императорской Академии художеств 1855 года, дал ему высокую оценку и отметил, что «г-жа Хилкова нисколько не впала в однообразие поворотов своих фигур и показала большее знание условий комнатной перспективы». Эта и другая картина интерьера школы находятся в Русском музее. В 1864 году за портрет статс-секретаря Е.А. Булгакова она получила ещё одну Малую серебряную медаль, а также звание классного художника 3-й степени (по другим сведениям, неклассного, свободного, художника).
Помимо вышеуказанных картин, Екатерина является автором «Семейного портрета Матюниных». Искусствовед Г.И. Разумейченко указывает, что портрету присуща «гармония красок, тонкость вкуса, элегантность письма и законченность композиции». В период с 1859 по 1864 год Екатерина Хилкова преподавала рисование в Рисовальной школе при Обществе поощрения художеств, где она и сама училась раньше. Она была педагогом во втором классе (из четырёх), где ученицы делали рисунки с гипсовых масок. По мнению С.И. Лаврентьевой, учившейся в то время в школе, Хилкова проводила занятия «довольно небрежно, никогда ничего порядком не растолковывая». Несмотря на лаконичность сохранившихся данных, вклад Екатерины Хилковой в русское искусство XIX века неоспорим. Она была одной из немногих женщин своего времени, кто смог добиться академического признания и создать произведения, имеющие не только художественную, но и историческую ценность.
Екатерина Хилкова участник выставок Императорской Академии художеств в 1855, 1858, 1869, 1870, 1874 и 1876 годах.
Работы Екатерины Хилковой находятся в Государственном Русском музее и Музее изобразительных искусств Татарстана.
Екатерина Хилкова умерла в 1876 году, однако достоверных подтверждений этому нет, а основано оно только на том, что с этого года её перестали упоминать в периодических печатных изданиях об искусстве.
