Работу она нашла на заводе, расположенном на ближайшей к родному дому окраине столицы, в Филях. Поблизости оказался аэроклуб, который она с успехом окончила и куда перешла работать на должность инструктора. К началу Великой Отечественной войны это был вполне сложившийся, хорошо владеющий учебным самолетом летчик.
В военкомате отказались призвать ее на воинскую службу и отправить в действующую армию, ведь не хватало инструкторов в летных школах. Возможно, ей так и не удалось бы повоевать, но Марина Раскова добилась приказа Ставки на формирование женских авиаполков. В сентябре 1941 года Буданова прибыла на пункт формирования таких полков, откуда ее направили в Энгельс для переучивания на ЯК-1. До апреля 1942 года сержант Буданова овладевала мастерством вождения истребителя, маневренным и скоростным по сравнению с учебными самолетами, на которых ей приходилось летать в авиашколе.
Овладев новой техникой, она получила направление в 586-й женский истребительный авиаполк. Первый ее боевой вылет состоялся 15 апреля 1942 года. Постепенно росло ее летное мастерство, проявлялся оригинальный почерк.
К сентябрю 1942 года в воздушных боях на Сталинградском фронте наступил напряженный период. Немцы рвались к Волге. Перед нашей авиацией была поставлена задача не подпускать армады фашистских бомбардировщиков к Сталинграду. Превосходство немцев в воздухе было значительным. Отмечены случаи, когда наша четверка юрких Яков противостояла 19 фашистским бомбардировщикам и наша двойка сражалась с 12 немцами. А 6 октября Катин ястребок оказался один перед 13 Юнкерсами. Отважная девушка врезалась в строй немецких бомбардировщиков, разогнав их в разные стороны. Это была основная задача: не дать произвести прицельное бомбометание. Попутно Катя расстреляла ближайший Юнкерс, одержав, таким образом, свою первую воздушную победу.
К середине ноября ситуация под Сталинградом начала резко меняться. Наступление Красной Армии в рамках операции «Уран» позволило замкнуть кольцо окружения вокруг 6-й армии вермахта в районе Калача. Немцы вынуждены были осуществлять снабжение окруженных частей по воздуху. В этой связи интенсивность воздушных боев возросла. Несмотря на все усилия нашей промышленности, у немцев все еще оставалось явное превосходство в воздухе. В этих боях Будановой удалось одержать еще ряд побед: в группе уничтожить два Ме-109, а лично Ю-88.
В конце ноября Будановой было присвоено воинское звание «младший лейтенант» и она вместе со своей лучшей подругой Лидией Литвяк была зачислена в группу «свободных охотников». Очередного Ме-109 Кате удалось сбить 10 декабря 1942 года, когда она, уже возвращаясь с боевого задания, приняла бой с атаковавшей ее парой немецких истребителей. Бой шел 25 минут, у Будановой были на исходе и горючее, и боекомплект, но все закончилось, когда Катя в лобовой атаке подожгла ведущего.
В январе 1943 года Буданова и Литвяк были переведены в 73-й истребительный авиаполк, где они оказались единственными летчицами. Командир полка Баранов назначил Катю своей ведомой. В одном из вылетов паре истребителей Баранов-Буданова пришлось выдержать тяжелейший бой с четверкой Фокке-Вульфов, прикрывавших 19 Ю-88. Остальные истребители полка устремились на немецкие бомбардировщики, это было единственно правильное решение. Баранову удалось закрутить карусель с немецкими самолетами, в результате которой им был поврежден один из немецких истребителей, который попытался выйти из боя, но Буданова догнала, подошла почти вплотную и добила фашиста. От взрыва немецкого самолета Катину машину даже подбросило вверх на несколько метров.
23 февраля 1943 года Буданова была удостоена своей первой боевой награды — Ордена Красной Звезды.
Немецкий корректировщик, известный как «рама», считался практически неуязвимым. Необычайно юркому самолету часто удавалось уйти от наших истребителей, но в начале марта 1943 года Катя, возвращаясь со «свободной охоты», встретилась с «рамой», которая спешила к линии фронта. Интенсивно маневрируя, немецкий самолет снизился до 20 метров, но Катя почти над самой землей догнала его и уничтожила. Это была заветная победа, ведь летчики считали «раму» самой трудной добычей.
В течение следующих четырех месяцев Екатерина сбила еще два вражеских истребителя. В июле 1943 года наши войска начали наступление на Донбасс, и 17 июля Катя уничтожила бомбардировщик Ю-88. За боевые успехи она была награждена Орденом Отечественной войны 1-й степени.
Наступило 19 июля 1943 года. Группа советских истребителей возвращалась домой после сопровождения наших штурмовиков, летавших в район Миус-фронта. В группе прикрытия Буданова летела последней. Ее догнала тройка Ме-109 и навязала неравный бой, в котором она одержала свою последнюю, 11-ю победу, но и сама была подбита. Ей удалось посадить самолет в поле, местные жители вытащили ее из кабины, но от полученных ран она скончалась.
Похоронили ее на окраине села Ново-Красновка Луганской области. Командование полка представило ее к званию Героя Советского Союза, но это представление удовлетворено не было, поскольку она считалась пропавшей без вести.
Всего за год с небольшим старший лейтенант Екатерина Буданова совершила 266 боевых вылетов, уничтожив 11 самолетов противника, в том числе 6 лично. По числу сбитых немецких самолетов среди женщин-истребителей Катя уступает лишь своей подруге Лидии Литвяк.
9 мая 1988 года останки летчицы были в торжественной обстановке перезахоронены в селе Бобриково Антрацитовского района Луганской области, а 1 октября 1993 года, через 50 лет после гибели, Указом Президента России Екатерине Васильевне Будановой было присвоено звание Героя Российской Федерации (посмертно).
В Кунцевском районе Москвы именем Екатерины Будановой названа улица, где она жила до начала войны. На фасаде здания московской средней школы № 63 (Багратионовский проезд, дом 10) установлена мемориальная доска.