Екатерина Антоненко окончила Академическое музыкальное училище при Московской консерватории (педагог — И. М. Усова) и Московскую государственную консерваторию (профессор — В. В. Суханов) по классу хорового дирижирования, а также аспирантуру историко-теоретического факультета Московской консерватории (научный руководитель — доцент Р. А. Насонов). В 2010 году Екатерина выиграла конкурс на стипендию ДААД, позволившую ей стажироваться в Высшей школе музыки и танца в Кельне в классе профессора Маркуса Крида. С 2012 года Екатерина — педагог Московской государственной консерватории. В 2013 году защитила кандидатскую диссертацию на тему «Церковная музыка Бальдассаре Галуппи: проблемы изучения и исполнения».
Екатерина регулярно сотрудничает с ведущими европейскими коллективами. В 2011 году по приглашению Питера Филлипса дирижировала ансамблем «The Tallis Scholars» в Christ Church Cathedral в Оксфорде. В 2015 году ассистировала Хансу-Кристофу Радеману в работе Камерного хора РИАС (Берлин) над сочинением «Стихи покаянные» А. Шнитке. В 2015 году приглашена подготовить Дрезденский камерный хор для выступления на фестивале «Wratislawia Cantans» (Вроцлав, Польша) под управлением Пола Гудвина (Великобритания), в 2018 году — к концерту памяти жертв «Хрустальной ночи» 1938 года под управлением Ханса-Кристофа Радемана. В 2019 году подготовила «Europa Chor Akademie» к выступлению на фестивале Марты Аргерих в Лейсхалле (Гамбург) под управлением Шарля Дютуа. В 2022 году осуществила гастроли в Израиль и аудиозапись «Всенощного бдения» Рахманинова вместе с хором PaTRAM (США). В 2022 году дирижировала концертом Дрезденского камерного хора.
С октября 2022-го по август 2024-го — главный хормейстер Пермского академического театра оперы и балета им. П. И. Чайковского. Хормейстер-постановщик спектаклей: «Летучий голландец» Вагнера (режиссер Константин Богомолов), «Бал-маскарад» Верди (режиссер Владиславс Наставшевс), «Человеческий голос» Пуленка—Горлинского (режиссер Дмитрий Волкострелов), «Ярославна» Тищенко — все четыре в 2023 году; «Тоска» Пуччини (режиссер Федор Федотов), «Похождения повесы» Стравинского (режиссер Андрей Прикотенко) и «Пиковая дама» Чайковского (режиссер Владиславс Наставшевс) — все три в 2024 году.
С августа 2024 года — художественный руководитель Государственного академического русского хора им. А. В. Свешникова.