Заслуженный художник РСФСР (1974).
Родилась 9 апреля 1900 г. в Симферополе. Дочь известного учёного-гидробиолога С.А.Зернова. С 1914 года жила в Москве. В 1917 году окончила художественную школу Ф.И.Рерберга. Училась в 1919 – 1924 годах в 1-х и 2-х ГСХМ – ВХУТЕМАСе у И.Машкова, А.Шевченко и Д.Штеренберга. В 1929 и 1930 совершила поездки в действующую танковую часть, результатом которых стал цикл картин на военную тему. Член объединений "ОСТ" – Общества станковистов (1930 – 1931), "Изобригада" (1931 – 1932), член МОССХ (с 1932). Работала совместно с Ю.Пименовым и А.Дейнекой. Во время Великой Отечественной войны в 1941 – 1943 была в эвакуации в курортном селе Боровое (Казахстан), где располагался госпиталь. В 1943 – 1944 делала зарисовки в частях и медсанбатах на 1-м Прибалтийском фронте. После войны создала цикл пейзажей разрушенного войной Севастополя. В 1950 – 1970-е годы Екатерина Зернова работала как художник-монументалист, ее произведения были реализованы во многих городах СССР. Умерла 23 апреля 1995 г. в Москве.
Работы Зерновой находятся в Государственной Третьяковской галерее и других музеях мира, в том числе в Варшаве, Нукусе, Астрахани, Архангельске, Санкт-Петербурге, Запорожье, Севастополе, Симферополе, Феодосии и Миннеаполисе.