О детстве Нелидовой не сохранилось подробных сведений. Известно только, что она родилась 12 декабря 1758 года от брака поручика Ивана Дмитриевича Нелидова с Анной Александровной Симоновой, в селе Климятине, Смоленской губернии, Дорогобужского уезда. Родители ее были люди весьма зажиточные, имея до 500 душ крестьян, в Смоленской и Тверской губерниях, но и семейство их было многочисленное: у маленькой Кати Нелидовой, кроме сестры Натальи, было пять братьев: Феодор, Андрей, Александр, Аркадий и Любим.
Детские годы Нелидовой протекли, без сомнения, при одинаковых условиях с детством всех помещичьих детей того времени, среди нянюшек и мамушек, на лоне деревенской природы, мирные впечатления которой навсегда запечатлелись в восприимчивой душе девочки. Для питомцев нянюшек и мамушек природа не была бездушной: одухотворенная народной поэзией, в сказках и преданиях, она уже говорила уму и сердцу ребенка прежде, чем он мог осмыслить ее явления, и Нелидова впоследствии, среди роскоши придворной жизни, никогда не забывала родного ей Климятина и тамошней речки «Царица-водица», струи которой осенены были густыми деревьями, пугавшими девочку.
Но тихая, уединенная жизнь в Климятине не могла благоприятствовать образованию детей, а родители Нелидовой, очевидно, понимали пользу образования даже для девочек, о чем большинство дворян того времени и не думали. Едва только сделалась известна в глухой провинции новость об открытии в Петербурге, под особым покровительством императрицы Екатерины, воспитательного общества благородных девиц при Смольном монастыре, как Анна Александровна Нелидова решилась ехать в Петербург вместе с дочерью своей Екатериной, едва достигшей шестилетнего возраста, чтобы ходатайствовать о приеме ее в новое, дотоле неслыханное по своим задачам и обстановке учебное заведение.
Нужно знать, что, желая создать посредством воспитания «новую породу людей», императрица Екатерина пробовала устранить от воспитываемых девиц всякое постороннее влияние и потому поставила правилом, чтобы родители при приеме дочерей их в воспитательное общество давали подписку не брать их из заведения до окончания курса, который продолжался 12 лет: тогда только поймем мы жертву материнской любви Анны Александровны, представившей свою дочь на первый прием воспитательного общества в начале 1765 года. «По публикованному о воспитании благородных девиц уставу… желаю препоручить дочь нашу Екатерину, рожденную от мужа моего Ивана Дмитриевича Нелидова», – так писала она в своем, как выражались тогда, «Объявлении».