Екатерина Климова показала своих четверых детей, причём каждый из них рождён от разных браков актрисы.
Старшую дочь, Елизавету, Екатерина родила в 2002 году в браке с ювелиром Ильёй Хорошиловым. Их отношения начались ещё в школьные годы. Позже пара поженилась — это произошло уже после того, как Климова окончила театральное училище. Однако сохранить семью им не удалось: супруги развелись, когда их дочери было всего два года.
В тот период Екатерина только делала первые шаги в профессии и много времени уделяла работе. Поэтому большую роль в воспитании Елизаветы взяла на себя бабушка девочки, Светлана Владимировна. Позже актриса вспоминала, что тогда была слишком молодой и неопытной, и именно это мешало ей выстроить с дочерью более близкие отношения.
Елизавета окончила Ломоносовскую частную школу, а в 2020 году поступила на факультет журналистики МГУ. В детстве она училась в музыкальной школе, занималась большим теннисом, посещала театральный кружок и при этом активно помогала маме с младшими братьями и сёстрами.
Сыновей Матвея и Корнея Екатерина родила во втором браке — с актёром Игорем Петренко. Матвей появился на свет в 2006 году, а Корней — в 2008-м. Оба мальчика интересуются творчеством и учатся в Ломоносовской школе. Матвей поступил в Театральную школу Олега Табакова, а Корней увлекается фотографией и видеосъёмкой.
В 2015 году Климова вышла замуж за актёра Гелу Месхи. В том же году у пары родилась дочь Изабелла. Однако и этот брак не стал для актрисы последним: в 2019 году Екатерина и Гела развелись.
Белла посещает театральную студию, занимается фигурным катанием, любит петь и танцевать. Как и старших детей, её отдали в Ломоносовскую школу. Гела Месхи рассказывал, что девочка мечтает стать артисткой. «Она видит, как тепло и доброжелательно незнакомые люди относятся к маме и папе. Поэтому и говорит: “Папа, я буду самой лучшей актрисой!”» — делился актёр в интервью порталу «7 дней».
Климова не раз подчёркивала, что её дети хорошо ладят друг с другом, а ревности между ними практически нет. «В многодетной семье таких проблем не бывает. Наверное, это чаще встречается там, где один ребёнок или двое… Если у Лизы поначалу и были какие-то обиды или претензии ко мне, то сейчас она стала старше и иначе смотрит на многие вещи. А мальчишки очень дружные, у них между собой особенная, крепкая связь», — рассказывала актриса.