Екатерина была четвертым ребенком в семье физика Владимира Владимировича Лермантова. Он принадлежал к костромскому дворянскому роду Лермонтовых, но свою фамилию всегда писал через «а» — Лермантов. Так фамилия писалась всеми родственниками до тех пор, пока поэт М. Ю. Лермонтов, углубившись в генеалогию, не выяснил, что правильнее ее писать через «о». 

Екатерина Лермонтова получила свое образование в недавно открывшемся тогда Женском педагогическом институте. Это высшее учебное заведение готовило преподавательниц для женских учебных заведений. Екатерина Владимировна выбрала естественно-научное направление.

Преподаватели института рассказывали слушательницам о собственной научно-исследовательской работе, о результатах летних научных экспедиций. Герман Германович фон Петц ежегодно летом уезжал на Алтай, где проводил геологическую съемку значительных территорий. Сам геолог занимался изучением древних окаменелостей. Найденные и описанные им сотни видов фауны девонского периода включали и ранее неизвестные науке экземпляры. Возможно, именно он первым познакомил Екатерину Лермантову с работой ученого-палеонтолога. Исследования фон Петца были прерваны летом 1908 г., когда геолог погиб на маршруте очередной экспедиции.

В 1913 году Екатерина занималась научными исследованиями на Мурманской биологической станции. В 1921 году она поступила на службу в Геологический комитет (Геолком), где проработала до конца жизни. Здесь она берется за непростую задачу – исследование трилобитов, специалистов по которым в ту пору в стране не имелось. Ученая блестяще знала зоологию беспозвоночных, свободно читала палеонтологическую литературу на трех языках (английском, немецком и французском), а также работала под руководством Н.Н. Яковлева.

Екатерина Владимировна специализировалась на изучении трилобитов кембрийского периода. Изучала трилобитовую фауну Сибирской платформы, Кузнецкого Алатау, Восточных Саян, Южного Урала, Казахстана и Южной Ферганы. Результатом её трудов стала первая стратиграфическая схема кембрийских отложений Восточной Сибири. Знание ею кембрийской фауны было поразительным, поэтому ей для исследований высылались окаменелости со всего СССР.

Екатерина Владимировна освоила и довела до виртуозности технику препарирования окаменелостей. Для выделения экземпляров фауны порода сначала прокáливалась, затем погружалась в холодную воду. Ставшие очень хрупкими, фрагменты пропитывались спиртовым раствором и монтировались на деревянных подставках. Самые мелкие экземпляры трилобитов ее коллекций можно рассмотреть только под лупой! Работа велась под бинокуляром специальным набором игл и тонких острых зубил из твердой стали, изготовленных для Е. В. Лермонтовой по особому заказу знакомым инженером на одном из заводов. Когда «коллекция» была готова, начиналось ее скрупулезное изучение и описание фауны

Екатерина Владимировна к концу 1930-х гг. собрала большой научный архив и обрабатывала материалы для печати. Она успела написать первый том своей монографии по трилобитам кембрия на территории СССР и подобрала материал для дальнейшей работы. В этом большом труде должен был быть обобщен весь ее научный опыт, собраны все выводы, которые ранее уже высказывались в различных работах. В ЦНИГРИ (бывшем Геологическом комитете) монографию решено было напечатать, и весной 1941 г. рукопись поступила к автору на доработку. Но завершить работу так и не довелось.

К началу 1940-х годов подготовила к публикации первый том своей монографии по трилобитам кембрия, но завершить работу помешала война. Она отказалась эвакуироваться вместе с Геологическим институтом, чтобы остаться с матерью, которая не могла выдержать тяжёлую дорогу. После этого руководство института приняло решение о её увольнении. 

Продуктовых карточек Екатерина Владимировна не получала, так как нигде не работала. Все быстро теряли силы. Первым в ноябре погиб брат, потом мать. Оставшись совсем одна, Екатерина Владимировна погибла в самом начале 1942 года в блокадном Ленинграде и похоронена в одной из братских могил.

С началом войны Лермонтова пожертвовала все свои украшения в фонд обороны на общую сумму в 20 тысяч золотых рублей. Эта линия Лермонтовых пресеклась в мужском потомстве.

В честь ученой названы ископаемые животные, водоросли и биостратиграфические подразделения, в основном относящиеся к кембрийскому периоду.