Ekaterina Antonenko wurde in Moskau in einer Familie jüdischer Herkunft geboren. Ihr Urgroβvater war Kantor in der Synagoge in mestechko Kotelnya, Zhytomyr Gebiet, Ukraine.
Ekaterina studierte Chorleitung an der Akademischen Musikfachschule des P.-I.-Tschaijkowskij-Konservatoriums (Prof. Irina Usova) und am Moskauer P.-I.-Tschaijkowskij-Konservatorium (Prof. Vladimir Sukhanov). Von 2010 bis 2012 studierte sie als DAAD-Stipendiatin an der Hochschule für Musik und Tanz Köln (Prof. Marcus Creed). Sie besuchte Meisterkurse bei Frieder Bernius, Marc Minkowski und Hans-Christoph Rademann. 2013 promovierte sie in der Musikwissenschaft zum Thema «Kirchliche Musik von Baldassare Galuppi». Seit 2012 unterrichtet Antonenko an dem Moskauer P.-I.-Tschaijkowskij-Konservatorium.
Auf Einladung von Peter Phillips dirigierte Antonenko «The Tallis Scholars» in der Christ Church Kathedrale, Oxford. 2015 assistierte sie Hans-Christoph Rademann bei den Proben zu Schnittkes Bußversen mit dem RIAS Kammerchor. Mit dem Dresdner Kammerchor machte Antonenko Einstudierungen zu der Aufführung von Händels Alexanderfest auf dem Festival Wratislawia Cantans 2015 und zum Gedenkkonzert am 80.Jahrestag der Pogromnacht (2018) in der Frauenkirche. 2019 einstudierte Ekaterina Europa Chor Akademie für die Aufführung an dem Martha Argerich Festival in Laeiszhalle (Hamburg) unter Charles Dutoit. 2022 dirigierte Antonenko die Konzerttournee der PaTRAM Chor (USA) in Israel.
Das von Ekaterina im Jahr 2006 gegründete INTRADA Vokalensemble hat heute eine Reputation als „der beste Chor Moskaus“ (“Musikalisches Leben”, 2018) erworben.