Екатерина Иосифовна Ефремова родилась 26 ноября 1914 г. в с. Егоркино Чистопольского уезда Казанской губернии (ныне Нурлатского района Республики Татарстан) в семье учителя начальных классов Иосифа Ефремовича Ефремова. Мать Екатерины - Анна Федоровна Яковлева была неграмотной крестьянкой, отец же проявлял большой интерес к литературе и искусству, хорошо знал произведения А.С. Пушкина, М.Ю. Лермонтова, Л.Н. Толстого, А.П. Чехова, М.И. Глинки, М.П. Мусоргского, П.И. Чайковского, И.Е. Репина, В.И. Сурикова. Много и захватывающе играл он на скрипке, сделанной земляком-крестьянином. До смерти отца все лучшее в мире для Екатерины Ефремовой было связано с его образом. Любовь к искусству, переданная Е.И. Ефремовой от отца, определила всю её дальнейшую жизнь. Умер он, когда Кате было пять лет.
В 1923 г. спасаясь от голодной смерти семья Ефремовых переехала на родину отца в Чувашию, в деревню Мамликасы Цивильского уезда Чувашской автономной области к дяде Филиппу, знаменитому на всю округу кузнецу. Там большое влияние на маленькую Екатерину оказала бабушка Меланья, бережно хранившая изделия, сотканные, сшитые и вышитые ее замечательными руками. И в юной Кате зародилось желание творить, стал проявляться талант будущего художника.
Вскоре Екатерина была отдана к деревенскому богачу в няньки, для присмотра за его детьми. От этой работы ее освободил дядя Антон, вернувшийся из армии, впоследствии заслуженный учитель школы РСФСР. Он устроил племянницу в детский дом-распределитель в Чебоксарах. Оттуда она попала в детский дом. Мать Екатерины Иосифовны Анна Федоровна жила в крохотном домике по улице Ярославской, у моста через речку Кайбулку.
Во время учебы в фабрично-заводской семилетней школе Е.И. Ефремова брала уроки рисования у М.С. Спиридонова, одного из основоположников чувашского профессионального изобразительного искусства, собирателя и исследователя чувашского народного орнамента. К этой работе, наряду с другими, он привлек и Екатерину Иосифовну, что во многом повлияло на ее будущую судьбу.
В 1931 г. после окончания семилетней школы по рекомендации М.С. Спиридонова и по направлению школы юная Катя уехала в Москву и поступила на вышивальное отделение Московского промышленно-художественного техникума им. М.И. Калинина. Ее мечта была - стать художником по народному орнаменту.
По окончании техникума Е.И. Ефремова с сентября 1936 г. по январь 1939 г. работала техником-художником на экспортной базе «Чувашская вышивка», а с января 1939 г. начала работать на Чебоксарской выходной базе Чувашского союза артелей швейных промыслов в должности техника-художника.
В 1940 г. Екатерина Иосифовна Ефремова поступила в Московский институт прикладного и декоративного искусства на керамический факультет. Во время Великой Отечественной войны с января 1941 г. по ноябрь 1943 г. она работала на Чебоксарском электроаппаратном заводе в должности слесаря-сборщика. С 1943 г. Е.И. Ефремова продолжила свою учебу в институте.
В 1948 г. после успешного окончания института она вернулась в Чувашию, возглавив экспериментальную художественную лабораторию Чувашшвейпромсоюза. С того времени Екатерина Иосифовна Ефремова и занялась возрождением чувашской национальной вышивки, которое стало делом всей ее жизни.
С декабря 1954 г. по сентябрь 1958 г. Е.И. Ефремова работала в должности инженера-художника производственного отдела Чувашского совета промысловой кооперации. В октябре 1958 г. она была назначена заведующей художественной лабораторией конструкторско-технологического бюро Чувашпромсовета.
В октябре 1960 г. Чувашпромсовет был ликвидирован и в связи с этим Екатерина Иосифовна была переведена в проектно-конструкторское бюро управления бытового обслуживания населения (УБОН) при Совете Министров Чувашской АССР на ту же должность, где создавала для артелей эскизы изделий с вышивкой.
После реорганизации проектно-конструкторского бюро в 1966 г. она стала главным художником на Чебоксарском производственном объединении художественных промыслов (ЧПОХП) «Паха тěрě», где проработала до сентября 1980 г. Работу на фабрике Е.И. Ефремова продолжала и после ухода на пенсию в 1971 г.
Деятельность Екатерины Иосифовны Ефремовой была направлена на сохранение традиций чувашской национальной вышивки, возрождение ее на профессиональной основе, в промысловой форме. Ее творчество широко известно и любимо чувашским народом. Среди известных произведений Е.И. Ефремовой: скатерть «Урожай» (1940 г.), декоративная скатерть и занавес к 30-летию Чувашской АССР (1950 г.), декоративный занавес для Брюссельской международной выставки (1957 г.), национальные костюмы для хора и танцевальной группы Чувашского государственного ансамбля песни и танца (1964-1965 гг.), сувениры (1963-1970 гг.), занавес для банкетного зала Чебоксарского Дворца бракосочетания (1966 г.), скатерть «Чувашский сувенир» (1987 г.) и многие другие.
Екатерина Иосифовна Ефремова на протяжении всей своей творческой деятельности являлась активным участником республиканских, всероссийских, всесоюзных, всемирных и международных выставок с 1939 г. более чем в 60 странах. В 1961 г. она вступила в Союз художников СССР.
Е.И. Ефремова награждена множественными наградами, среди которых: орден «Знак Почета» (07 марта 1960 г.), бронзовые медали Выставки достижений народного хозяйства (ВДНХ) СССР (1960 г., 1968 г., 1978 г.), орден Трудового Красного Знамени (26 августа 1966 г.), серебряная медаль ВДНХ СССР (1976 г.), медали «За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.» и другие. 22 ноября 1974 г. имя Екатерины Иосифовны Ефремовой было занесено в Почетную Книгу Трудовой Славы и Героизма Чувашской АССР.
24 ноября 1964 г. Е.И. Ефремовой было присвоено почетное звание «Заслуженный художник Чувашской АССР», 22 июня 1970 г. - звание «Заслуженный художник РСФСР», а в 1980 г. - народный художник Чувашской АССР.
26 февраля 2000 г. Екатерина Иосифовна Ефремова умерла и была похоронена в Чебоксарах.