В 1915-18 г. занималась в частной студии Ф. Рерберга. В 1919-24 г. училась в Государственных свободных художественных мастерских - ВХУТЕМАСе сначала у И. Машкова, затем у А. Шевченко и Д. Штеренберга. Получение художественного образования совмещала с учебой на физико-математическом факультете Московского университета (1917–1924).

Работала как иллюстратор в журналах «Искорка», «Пионер», «Колхозные ребята», «Красная нива», «Безбожник у станка», в издательствах «Посредник», «Долой неграмотность», Учпедгиз и др. Участвовала в 1-й (1925) и 4-й (1928) выставках одного из самых ярких художественных объединений 1920-х г. – Общества станковистов (ОСТ). С 1928 г.– член ОСТа. После раскола ОСТа (1931) вступила в «Изобригаду», объединившую приверженцев «производственной тематики». Участвовала в создании панно для Советского павильона на Всемирной выставке в Нью-Йорке (1939), панно в павильоне Дальнего Востока на Всесоюзной сельскохозяйственной выставке (1939).

Во время Великой Отечественной войны была командирована Военно-санитарным музеем на фронт, где делала зарисовки в госпиталях, медсанбатах, операционных (1943–1944).

Екатерина Сергеевна Зернова обладала широким творческим диапазоном: монументальная живопись, станковая картина едва ли не во всех жанрах - пейзаж, натюрморт, историческая и батальная живопись, бытовой жанр, анималистика. Она создавала работы для театра, занималась книжной графикой и плакатом. Зернова зарекомендовала себя как неплохой портретист, тонко передающий душевное состояние портретируемого.

Интерес к миру, увлечённость – одно из главных свойств натуры художницы. Её манера письма менялась со временем: если работам 1920-1930-х г. были свойственны чёткий рисунок, строгая цветовая гамма, то в поздний период творчества произведения исполнены в свободной, быстрой манере.

Участник нескольких сотен выставок в нашей стране и за рубежом. В 1929–1933 г. участвовала в выставках Всесоюзного общества культурной связи с заграницей (ВОКС). Первая персональная выставка прошла в Москве в 1936 г.

Произведения Е. С. Зерновой находятся в ГТГ, Музее современной истории России в Москве, Волгоградском художественном музее, Астраханской картинной галерее им. Б. Кустодиева, Музейно-выставочном комплексе «Новый Иерусалим» в Истре (Московская область), Музее искусства Каракалпакии им. И. Савицкого в Нукусе (Узбекистан), Национальном музее Варшавы (Польша), Музее русского искусства в Миннеаполисе (США), в частных коллекциях России.