叶卡捷琳娜生下皇孙保罗之后，并没有母以子贵，相反处境更加艰难。叶卡捷琳娜后来在日记中写道，生下保罗后，所有的人，以女皇伊丽莎白为首的宫廷上下都围着保罗转，孩子刚生下就被抱到女皇的宫中，而叶卡捷琳娜一个人躺在产床上三个多小时，也无人照料，最后她醒过来后，只好忍痛，独自慢慢走回自己的寝宫。总之对待叶卡捷琳娜的态度就像是对待一架完成任务的报废机器。
在生下孩子的头一年里，叶卡捷琳娜多病，几乎没参加宫廷活动。直到有一次她参加了一个舞会，一个名叫波尼亚托夫斯基的年轻伯爵吸引了她的注意力。和以前的情人萨尔特科夫相比，波尼亚托夫斯基年轻，有教养，谈吐得体，常年受到巴黎上流社会的熏陶，而波尼亚托夫斯基对叶卡捷琳娜也近乎一见钟情，二人很快就成为情人。在圣彼得堡，波尼亚托夫斯基住在列夫·纳雷什金伯爵家里，而纳雷什金是叶卡捷琳娜的好友。每逢夜幕降临，叶卡捷琳娜就换上男装，偷偷离开寝宫，前往纳雷什金家，和波尼亚托夫斯基约会。然后天不亮的时候仍旧偷偷潜回自己的寝宫。很快二人的恋情就传了出去，皇储彼得也知道，但他不爱叶卡捷琳娜，所以他对此毫不在乎。
有一天晚间，波尼亚托夫斯基偷偷潜入叶卡捷琳娜在奥拉宁鲍姆的寝宫，但被彼得的卫兵抓获，押到了彼得面前发落。彼得很清楚波尼亚托夫斯基是何许人也，但波尼亚托夫斯基的沉默激怒了彼得，于是彼得借口波尼亚托夫斯基身上带有武器，给他扣上了一顶图谋行刺的罪名。叶卡捷琳娜急忙传来了彼得的情人，沃伦佐夫公爵的女儿，好言相慰，最后在沃伦佐娃耳边轻声说道：您能使我们都变得幸福，不过是举手之劳。沃伦佐娃心领神会，紧忙赶到皇储彼得的房间，当着波尼亚托夫斯基的面，劝说彼得将他放走。行为怪僻的彼得竟然哈哈大笑，大声说：这里还缺一个人！然后闯进叶卡捷琳娜的寝室，将穿着睡衣的叶卡捷琳娜拉下床，拽着她走进自己的房间，指着波尼亚托夫斯基说：这回你该满意了吧！四人碰面，皆大欢喜，很有戏剧意味。从此波尼亚可夫斯基每天晚上都到奥拉宁鲍姆寝宫找叶卡捷琳娜，时而四人还共进晚餐，然后彼得和沃伦佐娃回自己的寝宫，波尼亚托夫斯基留在叶卡捷琳娜处，自此相安无事。
158年，叶卡捷琳娜再次怀孕，生下一个女儿，取名安娜。彼得公开对人讲：不知道叶卡捷琳娜是怎么怀孕的，不知道这个女儿是谁的。彼得对待叶卡捷琳娜的态度也日益蛮横无礼。
叶卡捷琳娜在日记里写道，她当时反复考虑，只看到了三条出路：一是继续当彼得的妻子，最后和彼得一起共存亡；二是逆来顺受，被彼得抓起来或者被废黜，送进修道院；三是主动采取行动，自己的命运，自己作主。但当时她对未来的想象还很模糊，不清楚应该采取什么行动，况且伊丽莎白女皇在世，任何人都不得轻举妄动。
叶卡捷琳娜开始寻求支持，首先是得到了内阁总理大臣别斯图热夫的支持。别斯图热夫作为一个成熟有经验的政治家，马上就明确了行动目标：当女皇过世之后，必须让叶卡捷琳娜登基继位，否则彼得掌权，大家都不会有好结果。叶卡捷琳娜仍然模糊地想象不出，采取什么手段才能登上皇位，甚至是否需要这样都不知道，这段时间她基本是被人推着走的。
很快，别斯图热夫被忠于女皇的两名重臣，舒瓦洛夫和沃伦佐夫告发。刑讯结果表明，叶卡捷琳娜试图利用别斯图热夫，达到自己的目的，而且她还和失宠入狱的阿普拉克辛元帅保持着秘密通信。这令伊丽莎白女皇大为震怒，结果别斯图热夫被流放，波尼亚托夫斯基被迫远离圣彼得堡，切尔内绍夫和萨尔特科夫也纷纷去了国外。159年，刚刚诞生几个月的女儿安娜夭折，叶卡捷琳娜的母亲安哈尔特公爵夫人也在巴黎病逝，叶卡捷琳娜和皇储彼得的关系转为公开的敌对。
就在这一年的春天，在曹恩多夫战役中被俘的普鲁士国王的副官被押解到圣彼得堡，押送军官中有一名叫做格里高利·奥尔洛夫。奥尔洛夫家里一共兄弟三人，都在军中服役，奥尔洛夫本人没什么化，但身材魁梧，英俊高大，而且无论骑马作战，还是打牌喝酒，跳舞打架，都是一把好手，因此奥尔洛夫很受圣彼得堡上流社会女性的崇拜。这一切自然不会逃过叶卡捷琳娜的眼睛，她对奥尔洛夫稍加暗示，奥尔洛夫就开始了对叶卡捷琳娜的热切追求，经常做出近乎疯狂的举动，向叶卡捷琳娜示爱。
叶卡捷琳娜在这一时期始终思索的一个问题就是：女皇马上就要过世，彼得继位之后怎么办？
161年12月25日，伊丽莎白女皇逝世，彼得继位，史称彼得三世。
162年月，叶卡捷琳娜生下一个男孩，孩子的父亲是奥尔洛夫。孩子降生后几个月后，彼得方才闻讯，马上大发雷霆，下令将叶卡捷琳娜逮捕。但彼得的副官犹豫不决，最后众人一起劝说，彼得临时改变了逮捕叶卡捷琳娜的命令。此后在庆祝同普鲁士签订和约的国宴上，彼得面对诸多国内外来宾，口出粗话，公开侮辱了叶卡捷琳娜。二人的关系势同水火。与此同时，奥尔洛夫兄弟加紧了在近卫军中的串联活动，暗中形成了一个数百人的军官集团，准备策动政变，推翻彼得三世，支持叶卡捷琳娜登上皇位。
到了162年6月底，形势一时万分危急，一名参与策划政变的近卫军军官被捕，政变阴谋暴露。6月28日，叶卡捷琳娜和奥尔洛夫兄弟在得到了伊丽莎白女皇在世时的宠臣拉祖莫夫斯基、沃尔康斯基公爵和帝师潘宁的支持后，提前发动政变，推翻了彼得三世，登基称帝，成为俄罗斯帝国的第八位皇帝，也是帝国有史以来的第四位女皇。