По словам Вуличенко, у нее никогда не было романов с актерами, ее тянуло к более серьезным мужчинам. И со своим первым мужем Денисом она познакомилась в аэропорту, когда летела на съемки в Киев. Тогда актрисе было 26 лет и она влюбилась в Дениса, который окончил Оксфордский университет, работал в Лондоне и согласился ради нее переехать в Москву. Сначала все было хорошо, у пары в 2006 году родилась дочь София. Но из-за постоянных съемок супруги мало виделись. Наконец, Денис предложил Екатерине переехать в Лондон и пообещал, что у нее будет все, что она захочет. Однако актриса отказалась и их брак распался.

Своего второго мужа Марата, в браке с которым в 2018 году у Екатерины родился сын Александр, актриса назвала главной любовью. Она опровергла слухи о том, что увела его из семьи. Екатерина объяснила, что когда они познакомились с Маратом, он уже не жил с прежней женой и занимался бракоразводным процессом. Познакомилась Екатерина с Маратом на дне рождения подруги.

"Когда мне казалось, что я никого не встречу, то вдруг я нашла любимого человека", — призналась Вуличенко. Марат привозил ей огромную корзину цветов после каждого спектакля, а потом они поженились. "Я познакомила дочку с будущим мужем сразу. Они подружились. Это очень важно, как человек относится к моему ребенку", - также рассказала Вуличенко.