Ее отец Николай Двигубский – художник. Мать Екатерины Наталья Аринбасарова – известная советская актриса. Сын Натальи Аринбасаровой и Андрея Кончаловского – Егор Кончаловский – является старшим братом Екатерины.
Профессию актрисы Екатерина Двигубская постигала во ВГИКе, где она училась на курсе Армена Джигарханяна. Но ее привлекала не только игра на сцене, но и режиссура. В 1999 году Екатерина окончила Высшие курсы сценаристов и режиссеров по специальности «Авторы-режиссеры кино и телевидения». Ее наставником был известный режиссер Александр Митта.
Сниматься в кино актриса начала на заре 90-х годов. Ее дебютной работой стала комедия «Трам-тарарам или Бухты-барахты» с Александром Панкратовым-Черным в главной роли. В 1998 году она снялась в фильме Петра Тодоровского «Ретро втроем». В 2000-2001 годах Екатерина Двигубская принимала участие в создании двух документальных фильмов: «Россия. Начало» и «Гуру».
Постепенно она все больше занималась режиссурой, снимала сериалы для телевидения. Одной из самых известных режиссерских работ стал сериал «Бедная Настя». Затем последовал сериал «Холостяки». В 2009 году Екатерина Двигубская написала новеллу «В центре ГУМа у фонтана» для фильма «Москва, я люблю тебя!», поставила ее и сама сыграла в ней. В этой новелле приняли участие многие близкие для Екатерины люди: брат Егор Кончаловский и его жена Любовь Толкалина, мать Наталья Аринбасарова, преподаватель из ВГИКа Альберт Филозов и другие. Во многих своих постановках Екатерина Двигубская участвует и как актриса.
