葉卡捷琳娜生有兩個兒子。長子保羅·彼得羅維奇出生於1754年，後來成為沙皇保羅一世。有謠傳說他是葉卡捷琳娜與朝臣格利哥里·奧洛夫的私生子，但傳聞站不住腳，因為保羅·彼得羅維奇無論相貌性格簡直是其父彼得三世·費奧多羅維奇的翻版，彼得三世也並非傳聞那樣不能生育，曾與一情人有私生子。

因為保羅太像彼得三世·費奧多羅維奇，所以葉卡捷琳娜二世十分討厭他。伊麗莎白女沙皇對保羅是私生子的說法並不介意，並說“如果他真是私生子，那也不是我們家族中的頭一個”。

次子阿列克謝·格里戈裡耶維奇·博布林斯基出生於1762年，生父為格利哥里·奧洛夫，出生後被立即送往侍從瓦西里·施庫林家中撫養（施庫林曾在孩子出生時把自己的住處付之一炬，以分散彼得三世皇帝的注意）。

他的出生成為彼得三世意圖廢后與葉卡捷琳娜皇后發動政變的導火索，阿列克謝長大後成為俄羅斯帝國少將軍官，俄羅斯著名的製糖世家博布林斯基家族的奠基人。施庫林也因此被葉卡捷琳娜封為侍從長，兒子後來成為俄軍中將，兩個女兒成為宮廷女官。

女兒安娜·彼得羅夫娜出生於1757年，當時是皇儲的彼得·費多羅維奇大公對女兒的出生表現得十分冷淡，表示這不是他的親生女兒，但這個孩子畢竟是夫婦二人名義上的合法子女，因此被封為女大公。

宮廷上下都對女大公的生父到底是誰表示懷疑，但還是在伊麗莎白女皇的主導下被認定為皇室血脈。1759年，安娜·彼得羅夫娜女大公因病夭折，年僅1歲4個月。