Принцесса (княжна) Ангальт-Цербстская София-Фредерика-Августа родилась 21 апреля (ст. ст.) — 1 мая (нов. ст.) 1729 года в городе Штеттине, губернатором которого был её отец — принц (князь) Христиан-Август Ангальт-Цербст. Её мать, принцесса (княгиня) Иоганна-Елизавета, происходила из Голштейн-Готторпского рода и была двоюродной сестрой Карла-Фридриха, герцога Голштейн-Готторп, отца великого князя Петра Феодоровича.
Фисхен (Fischen), как называли будущую Екатерину в детстве, росла любознательным ребёнком, способным к учению, не по-детски рассудительным и расчётливым Впоследствии в своих «Записках» Екатерина почти ничего не напишет о своей жизни в Германии, но в письмах к барону Гримму и другим своим респондентам она вспоминает свою воспитательницу, госпожу Кард ель, которая учила её тому, что знала сама, а знала она многое. «Кардель была умная женщина», — заключает Екатерина и рассказывает, что Кардель заставила её читать пьесы Мольера и задумываться о серьёзных вещах. Почти во всех письмах к барону Гримму Екатерина II называет себя «воспитанницей госпожи Кардель». В 1775 году в письмах к Гримму Екатерина рассказала о своих учителях: наставнике Вагнере, которого она считала «дураком и скучным педантом», учителе чистописания Лоране («хотя он был и дурак, но недаром брал деньги за уроки каллиграфии»); учителе музыки Рёллиге, о котором она тоже отозвалась иронически и недостаточно почтительно.
Матушка — Иоганна-Елизавета — мало заботилась о воспитании своей Фисхен. Екатерина вспоминала впоследствии о графе Гилленборге, о запомнившихся ей его словах: «Это был человек очень умный, уже не молодой и очень уважаемый моею матушкой. Во мне он оставил признательное воспоминание, потому что в Гамбурге, видя, что матушка мало или почти вовсе не занималась мною, он говорил ей, что она напрасно не обращает на меня внимание, что я дитя выше лет моих и что у меня философское расположение ума». Запомнила она и слова одного каноника из Брауншвейга: «На лбу вашей дочери я вижу по крайней мере три короны». (Вот уж воистину увидел короны «Великия и Малыя и Белыя России», а может быть, короны России, Польши и Крыма?) Мечты Фисхен о русской короне были не случайны. Об этом говорили её близкие дома; вероятно, в большей степени мать, потому что связи Голштинского дома с Россией были достаточно крепкими. В 1739 году в Эйтине состоялась встреча представителей Голштинского дома, и Фисхен в первый раз увидела Карла-Петера-Ульриха (Петра Фёдоровича), своего троюродного брата, ставшего потом её женихом и мужем.
Елизавета Петровна выбрала невестой своему племяннику принцессу Софию-Фредерику-Августу, отвергнув других претенденток, не из политических соображений. Она очень любила всех своих родственников, а потому пригрела при дворе всех Скавронских, воспитывала при своем малом дворе цесаревны двух своих племянниц, даже своей самой близкой подругой избрала Мавру Шепелеву потому, что та была в родстве с пастором Глюком, приютившим её мать Марту Скавронскую, и потому, что та была камер-юнгферой её сестры Анны, с телом которой она вернулась в Россию. Анна Петровна, её любимая кровная сестра, с которой она провела детство, была замужем за герцогом Карлом-Фридрихом Голштейн-Готторпским, двоюродным братом Иоганны-Елизаветы, по мужу Ангальт-Цербстской, и Пётр Фёдорович приходился племянником и Елизавете Петровне, и Иоганне-Елизавете. Между тётками великого князя издавна велась переписка В конце 1741 года Иоганна-Елизавета поздравила Елизавету Петровну с восшествием на престол. В ответ на это поздравительное письмо Елизавета Петровна попросила прислать ей портрет Анны Петровны, и Иоганна-Елизавета прислала портрет её любимой сестры, умершей в 1728 году. Елизавета Петровна в благодарность отослала Иоганне-Елизавете свой портрет, осыпанный бриллиантами, стоимостью 18 тысяч рублей.
Елизавету Петровну не смутило даже то, что Пётр Фёдорович и принцесса Ангальт-Цербстская троюродные брат и сестра и по православным законам не могут быть повенчаны. Но с церковью этот вопрос был, естественно, как-то улажен.
Идея этого брака была поддержана Германией. Воспитатель великого князя Петра Фёдоровича Брюммер и прусский резидент в Петербурге Мардефельд всячески содействовали реализации этой идеи. Сама же молодая принцесса-невеста в письме к Фридриху II благодарила его за подаренное ей счастье: ведь, по мнению многих, король, чтобы угодить Елизавете Петровне, имея в виду этот брак, пожаловал отцу принцессы Ангальт-Цербстской, принцу Христиану-Августу, чин фельдмаршала, чем возвысил благородство их рода.
Дело было сделано, и в середине января 1744 года невеста с матерью выехали тайно сначала из Цербста, а затем из Берлина в Россию, в Москву, где тогда находился Императорский двор.
Елизавета Петровна весьма радушно встретила германских принцесс Говорили, что она даже прослезилась, увидев Иоганну-Елизавету и вспомнив, что двоюродный брат принцессы, епископ Любской епархии, принц Карл-Август Голштинский в 1726 году посватался к ней, и хоть это была не блестящая партия, она приняла его предложение. В июне 1727 года, накануне свадьбы, жених скоропостижно скончался в Петербурге, так и не осчастливив цесаревну Елизавету Петровну. В то время Елизавета Петровна глубоко переживала потерю жениха.
Вначале общее родство и воспоминания об ушедших в мир иной женихе и сестре Анне, а также приготовления к свадьбе давали повод Елизавете Петровне к сближению с Иоганной-Елизаветой и невестой. Но вскоре обнаружившиеся шпионские связи Иоганны-Елизаветы, докладывавшей в письмах к Фридриху II обо всём, что происходило при дворе императрицы, привели Елизавету Петровну в такое негодование, что все при дворе думали: Елизавета Петровна вышлет из России принцесс Ангальт-Цербстских — и мать, и дочь. Несколько дней Фисхен, упорно перед этим изучавшая основы православной веры под руководством учителя Симона Тодоровского, русский язык с лингвистом Василием Ададуровым, танцы с балетмейстером Ланге и жаждавшая поскорее овладеть русским языком, переживала тяжёлое время ожидания: каково будет решение Елизаветы Петровны? Она очень хотела понравиться Елизавете Петровне и даже, когда заболела воспалением лёгких и была при смерти, вместо лютеранского священника попросила пригласить к ней Симона Тодоровского, дав понять, что готова принять православную веру. Она была уверена, что если императрица решит выслать её из России вместе с матерью, её жених не вступится за неё. Позднее в своих «Записках» она признается: «Что касается до меня, то, зная его свойства, я бы не пожалела его, но к короне русской я не была так равнодушна».
Еще будучи невестой великого князя, умная, одарённая, энергичная и темпераментная великая княгиня горько разочаровалась в своём женихе — цесаревиче Петре Фёдоровиче, отличавшемся невеликими умом и способностями, узким кругозором, примитивными потребностями и дурным воспитанием По признанию самой Екатерины, высказанному ею в «Записках», она с детства мечтала стать правительницей какой-либо страны, а после избрания её невестой русского цесаревича — самодержицей России. Пока её супруг играл в солдатики, она приложила все усилия, чтобы стать русской: усердно учила русский язык и много читала, особенно литературу по истории России. Не сумев преодолеть полностью свой иностранный акцент, Екатерина стала выучивать русские пословицы и поговорки, запоминать чисто русские, даже народные выражения и тем самым утвердила в своей речи русскость. Второй её задачей было стать православной верующей. Она видела, какое значение придают этому вопросу Елизавета Петровна и её придворные, а потому она стала изучать таинства и обряды Русской Православной Церкви, прилежно учить наизусть основные молитвы. Во время своего крещения в православную веру Екатерина так чётко и без запинки произнесла наизусть выученный ею Символ веры, что привела всех в восхищение. Она строго соблюдала посты, много молилась (особенно на людях), чем добивалась одобрения набожной Елизаветы Петровны и вызывала гнев атеистически настроенного Петра Фёдоровича.