Как любой женщине, императрице хотелось любви, понимания, заботы – то есть простого женского счастья, которым судьба обделила ее в браке. Несмотря на обилие слухов, воспевающих чувственность и легкомыслие Екатерины, у нее было не так много любовников – авторитетные исследователи насчитывают всего два десятка, из которых несколько провели рядом с царицей долгие годы. К Григорию Орлову, которому Екатерина была обязана троном, она испытывала настолько сильные чувства, что даже собиралась выйти за него замуж: однако советники отговорили ее – во главе Российской империи не может стоять графиня Орлова. Однако она продолжала жить с ним как супруга и доверять ему те дела, которые, по идее, должен был исполнять супруг-император: Орлов командовал войсками, управлял подавлением Чумного бунта, возглавлял Вольное экономическое общество. Однако его чрезмерная чувственность проявлялась не только в постели императрицы, но и в беспорядочных связях. Екатерине это надоело, и она заменила его на его же брата, Алексея, которого позже сменил блистательный князь Потемкин. Расставшись с императрицей, Григорий Орлов влюбился в свою юную кузину, фрейлину Екатерину Зиновьеву, и со скандалом в 1777 году на ней женился. Разгневанная Екатерина была готова отослать обоих супругов в монастырь, однако позже простила их и даже наградила. Когда через несколько лет граф Орлов после внезапной смерти жены сошел с ума и вскоре умер, императрица искренне его оплакивала.
Григорий Потемкин, которому Екатерина позже за заслуги даровала титул светлейшего князя и прозвание Таврического, был, наверное, самым сильным чувством в ее жизни. «Ласка наша есть чистейшая любовь, и любовь чрезвычайная», – писала она. По некоторым данным, Екатерина даже вступила с ним в 1775 году в морганатический брак – правда, все будто бы имевшиеся свидетельства этого события были утрачены. В июле 1775 года Екатерина тайно – придворным было объявлено, что у императрицы расстройство желудка, – родила от Потемкина дочь, получившую имя Елизавета Темкина (первый слог фамилии отца был по обычаю отброшен). Девочке были пожалованы богатые имения в Херсонской губернии, а воспитателями ее были сначала племянник Потемкина Александр Самойлов, затем лейб-медик Екатерины Иван Бек. Хотя Лиза не отличалась особой красотой, она удачно вышла замуж – ее супругом стал майор Иван Калагеорги, друг детства великого князя Константина Павловича, позже назначенный губернатором Екатеринославской губернии. У Елизаветы Калагеорги родилось десять детей, она провела свои годы в счастье и спокойствии.