索菲娅自幼性格开朗，活泼好动，甚至有些淘气，胆子也很大，经常闯祸。索菲娅的父亲在军队服役，兢兢业业，不太顾家，所以她自小就在母亲管束下成长。可是母亲生性刻薄挑剔，做事情没有耐心，很难与人相处，又常年住在巴黎，这样索菲娅自幼就不太受父母限制，所以尽管身为公国公主，在没人管她的时候，也会跑到街上去找同龄的孩子们玩。
如果不是她13岁那年的一个偶然事件，索菲娅的命运可能与同年代的贵族小姐们没有什么两样。1742年，她的远房表哥，荷尔施泰因王子卡尔·彼得·乌尔里希，也就是俄国彼得大帝的外孙，被他的姨妈，俄罗斯女皇叶丽萨维塔选中，成为俄罗斯皇位继承人。这位荷尔施泰因王子顿时身价倍增，很多德国公国的适龄公主都梦想嫁给卡尔·彼得。安哈尔特公爵一家也不例外，而且因为父亲的关系，索菲娅公主与未来俄罗斯皇位继承人的联姻方案，竟得到了普鲁士国王腓特烈二世的支持。 在腓特烈二世的安排下，1742年冬天，安哈尔特公爵夫人带着索菲娅来到了柏林，觐见腓特烈二世。腓特烈对索菲娅公主感到满意，认为她可以成为俄罗斯皇储的妻子，于是请来了最好的法国画师，为索菲娅公主画了一幅肖像画，然后把这幅肖像送到了圣彼得堡，供伊丽莎白·彼得罗芙娜女皇过目。 安哈尔特公爵一家等待了足足一年。在这一年里，在圣彼得堡的俄罗斯宫廷里反复研究了各种联姻方案，最终选择落在了安哈尔特公国的索菲亚·奥古斯特公主身上。 1744年1月，来自圣彼得堡的信使带来了伊丽莎白女皇的一份信，邀请安哈尔特公爵夫人和索菲娅公主前往俄罗斯做客，同时带来的还有一张为数一万卢布的支票，作为公爵母女俩人在路上的开销。虽然信中没有写明邀请的目的，但安哈尔特公爵一家都清楚这是什么意思——伊丽莎白女皇选中了索菲娅做未来皇储的妻子。 安哈尔特公爵夫人和索菲娅公主出发时正是寒冬一月，她们一路颠簸，风餐露宿，甚至沿途曾数次在普通农户家留宿，饮食也时常粗糙生冷，母女俩差点病倒。等到车队进入俄罗斯境内后，条件马上大为改善，俄罗斯各地对公爵夫人、公主二人的接待周到有加。 1744年2月9日，索菲娅公主抵达莫斯科。伊丽莎白女皇对安哈尔特公爵夫人母女给予热情招待，皇储彼得，当时已经接受了东正教洗礼并起了俄文名字的远方表兄也对索菲娅公主彬彬有礼。不久彼得就向索菲娅公主坦白说，鉴于二者之间的远亲关系，彼得自然对索菲娅有信任感，但是他对索菲娅没什么感情，他已经对伊丽莎白女皇的侍女情有独钟，迎娶索菲娅公主不过是执行伊丽莎白女皇的意志罢了。 索菲娅对彼得的表白感到惊讶：一方面惊讶于彼得的坦率，另一方面感觉到彼得对很多事情的想象过于天真。索菲娅很快就明白了：她在俄罗斯站住脚的最主要条件就是要成为一个俄罗斯人。为此她请求伊丽莎白女皇为她找来了最好的老师，苦学俄语和东正教礼仪。索菲娅公主勤奋地学习俄语，甚至在夜深人静，周围侍从都已经睡下，索菲娅还在抱着书苦读。 虽是冬天，但房间里很热，索菲娅就光着脚在房间里走来走去。可是莫斯科的冬天比在德国要严酷得多，她终于得上了肺炎，因此病倒。索菲娅曾接连十几天处于高烧状态，昏迷不醒。众人以为她已处于弥留，已经开始安排后事。安哈尔特公爵夫人特意找来了一个路德宗牧师为她做临终祈祷，但索菲娅公主却请求把教她东正教礼仪的神父老师找来。这件事很快就流传开来，俄罗斯宫廷上下对索菲娅公主的好感倍增。过了一个月，索菲娅奇迹般地病愈，这样索菲娅公主与皇储彼得的婚姻就这样决定了下来。 1744年6月28日，索菲娅公主皈依了东正教，改名为叶卡捷琳娜·阿列克谢耶芙娜。受洗仪式是叶卡捷琳娜在俄罗斯的首次公开活动，她用俄语对答问话，谈吐得体，吐字清晰，再次博得了宫廷上下的好感。次日，皇储彼得与叶卡捷琳娜订婚。 1745年8月21日，俄罗斯宫廷为二人举行了盛大的婚礼，叶卡捷琳娜受封为大公夫人。 婚后的日子对于叶卡捷琳娜来说，是一段灰色的时光。丈夫彼得根本就不爱她，另寻新欢，两人结婚五年，实际处于分居状态，叶卡捷琳娜一直是处女。叶卡捷琳娜整日幽处深宫，只好靠读书排遣寂寞。起初她开始漫无目的地读小说，后来无意中读到了伏尔泰的作品，自此开始对政治哲学类书籍感兴趣。叶卡捷琳娜找来了厚厚的十卷本德国史，坚持每八天必须读完一卷，又通读了四卷本哲学史，还有大量的俄文书籍。一段时间以后，叶卡捷琳娜具备的知识深度，竟然让她读懂了孟德斯鸠艰深的《论法的精神》一书。 尽管叶卡捷琳娜没有耀眼美丽的外貌，但她处在妙龄，谈吐得体，秀外慧中，自然招人喜欢。很快她就有了自己的情人。许多叶卡捷琳娜的研究者都认为，她的第一个情人是七年战争中的英雄，当时担任皇储彼得副官的切尔内绍夫。但这段恋情持续的时间不长。此后谢尔盖·萨尔特科夫，公认的宫廷美男子，成为叶卡捷琳娜的情人。当时有传闻说，叶丽萨维塔女皇对萨尔特科夫颇有宠意，但萨尔特科夫在伊丽莎白女皇和叶卡捷琳娜公主之间选择了后者。伊丽莎白女皇做出震怒的样子，萨尔特科夫没办法，只好躲到乡下去。等到后来萨尔特科夫再次回到圣彼得堡的时候，伊丽莎白女皇正忙于国政，已经把这件事忘掉了。 彼得和叶卡捷琳娜结婚五年之后，二人尚未生育，也就是说俄罗斯帝国仍然处在后继无人的状态，令伊丽莎白女皇大为恼火。女皇把皇储的宫廷女侍卫长召来，说叶卡捷琳娜喜欢骑马，导致不孕，这是侍卫长的过错。女侍卫长明知骑马和不怀孕之间没有什么必然联系，大公夫人喜欢骑马也无人能够禁止，而且皇储和大公夫人各有情人也是众所周知，于是只好委婉辩解说，怀孕生孩子都是有"原因"的，可是皇储与叶卡捷琳娜二人之间至今没有“原因”，她也没有办法。伊丽莎白女皇怒曰：要你何用！找不出“原因”，帝国没有继承人，就是失职！女侍卫长只好依照伊丽莎白女皇的命令，私下里提示叶卡捷琳娜，要她无论如何要为伊丽莎白女皇生下一个帝国继承人，不然她的位子不会坐稳。叶卡捷琳娜幡然醒悟，终于在1754年生下一个男孩，取名为保罗。