Jekaterina Marennikowa bestritt 128 Länderspiele für die russische Nationalmannschaft. Mit Russland wurde sie 2005 im eigenen Land Weltmeisterin, bei der Handball-Europameisterschaft der Frauen 2006 gewann sie Bronze. Bei der WM 2007 in Frankreich fehlte sie verletzungsbedingt. Bei den Olympischen Spielen 2008 holte sie die Silbermedaille. Im Sommer 2012 nahm sie an den Olympischen Spielen in London teil. Bei den Olympischen Spielen 2016 in Rio de Janeiro gewann sie die Goldmedaille.