Отцом будущей царицы был знатный князь Рюрикович Петр Иванович Буйносов. Он принадлежал к роду ростовских князей, которые несколько веков владели Ростовским княжеством и только в конце XV века потеряли его и перешли на службу к московскому государю Ивану III. В XVI веке род ростовских князей стал очень разветвленным, поэтому у многих появились самостоятельные фамилии, возникшие из прозвищ предков: Буйносовы, Катыревы, Лобановы, Бахтеяровы и др. Буйносом прозывался Иван Александрович Хохолков, а его потомки уже стали Буйносовыми.

Хотя Петр Иванович Буйносов был достаточно знатен, государеву службу ему пришлось начинать в 1573 году с должности городового воеводы в маленькой приграничной крепости Алатырь. Иван Грозный не любил родовитых князей и к своему двору их не приближал. Только после воцарения в 1584 году Федора Ивановича П. И. Буйносов стал полковым воеводой и начал служить в войске, оборонявшем южные границы страны.

Семья князя предположительно жила в родовом имении в Вотской пятине, которое было пожаловано его предкам взамен Ростовской земли. Екатерина была не единственным ребенком – у нее был старший брат Иван и две младшие сестры, Мария и Пелагея. Их воспитанием занималась мать. Известно лишь ее имя – Мария Ивановна. Скорее всего, она тоже была знатного рода, поскольку князья в то время не женились на простолюдинках. В раннем возрасте дети обычно получали домашнее образование. Их учителями были родители, мамки и няньки. Но в конце XVI века Петру Ивановичу был пожалован чин думного дворянина, и семья переехала в столицу. Там выстроили большой дом с множеством хозяйственных построек, садом и огородом, правда, не в центре, где уже не было свободных мест, а на территории Белого города. С этого времени дети стали получать знания уже от более квалифицированных педагогов из числа столичного духовенства и подьячих. Все знали, что царь Борис Годунов ценит знающих людей, владеющих всевозможными науками.

При царском дворе воинские таланты Петра Ивановича были оценены по достоинству. Во время Серпуховского похода царя в 1598 году ему доверили командовать всей артиллерией. В следующем году он один из главных воевод охранных полков, стоявших на берегу Оки. Б. Ф. Годунов любил титулованную знать, поэтому в 1603 году П. И. Буйносов получил боярский чин и начал заседать в Боярской думе. Более того, он вскоре вошел в ближний царский круг, став непременным участником различных званых обедов, приемов иностранных гостей, праздников.

Высокое положение отца дало возможность старшему сыну Ивану начать службу не с воеводства на окраине государства, а с почетной должности стольника при царском дворе. Постепенно подрастали и дочери. Все они были красивы, благонравны, хорошо образованны, поэтому Петр Иванович полагал, что проблем с женихами не будет. К тому же каждой из них он мог дать хорошее приданое, так как за свою службу постоянно получал новые земельные владения.

Однако скоро ситуация в стране настолько осложнилась, что о свадьбах уже никто не думал. В октябре 1604 года на территорию Русского государства вторгся самозванец, назвавшийся именем давно умершего царевича Дмитрия. Выступившее против него царское войско сражалось с переменным успехом, положение на фронте сохранялось напряженным. Хотя П. И. Буйносов был очень опытным воеводой, царь Борис не послал его на войну, а еще больше приблизил к себе, сделав главным советчиком по вопросам стратегии и тактики военных действий. Однако руководить армией из столицы было очень сложно.

Все члены семьи Петра Ивановича чувствовали, что самозванец представляет большую опасность. Во первых, многие русские люди, будучи достаточно легковерными, с доверчивостью воспринимали его выдумки о подмене в детстве и тайном воспитании какими то неизвестными людьми.