Катерина народилася 14 вересня 1916 року в селі Корощино Олевського району на півночі Житомирщини. У 18 років з відзнакою закінчила авіашколу і була спрямована до Харкова у 19-у авіаційну бригаду. На фронтах німецько-радянської війни Катерина була з першого її дня. Зробила 40 бойових вильотів - в тому числі вночі. Брала участь у 12 повітряних боях з винищувачами.

12 вересня 1941 року Зеленко залишилася в повітрі одна проти семи ворожих літаків. Німці взяли її літак в кільце. Як тільки один з них опинився в прицілі, Зеленко натиснула гашетку. "Мессершмітт" загорівся. Але і Су-2 був підбитий. Зеленко була поранена в плече. Вона наказала стрілку покинути літак, а сама продовжила вести бій. Наказавши стрілкові стрибати, здійснила повітряний таран "Мессершмітта-109". Це був перший і єдиний за всю Другу світову війну повітряний таран, який здійснила жінка-льотчиця.

Вона атакувала німця влобову. Від удару крилом по фюзеляжу "мессершмітт" розламався навпіл, а Су-2 вибухнув, при цьому льотчицю викинуло з кабіни. Уламки обох літаків впали на землю біля села Анастасівка Сумської області.