Евдокия происходила из богатого знатного рода Измайловых. Они были родственниками высшей аристократии — Нарышкиных, Юсуповых, Вяземских. Ее мать была родной сестрой одного из крупнейших в стране коллекционеров и меценатов князя Николая Юсупова, отец — генерал Иван Измайлов дослужился до сенатора. Осиротели они и ее сестра Ирина рано, поэтому воспитывались в доме своего дяди — сенатора Михаила Измайлова. Он был видным человеком и ведал всеми строительными работами в Кремле и реставрацией памятников старины. Евдокия получила блестящие для женщин того времени образование. Она была невероятно красива, умна, когда ее стали вывозить в свет, она притягивала внимание многих мужчин, хотя и отличалась несколько взбалмошным характером.
Сам император Павел I нашел ей жениха — им стал князь Сергей Михайлович Голицын. Он был старше невесты на семь лет, был некрасив и добродушен. Несмотря на все свое богатство Голицын не смог заинтересовать избалованную вниманием света Евдокию, но отказать императору было немыслимо. В 1799 году они поженились, но так и не смогли построить благоприятных отношений. В следующем году князь попал в опалу и был вынужден уехать с женой в Дрезден. Когда в 1801 году пришло время возвращаться на родину, Евдокия ответила, что не последует за мужем, и так как брак их был вынужденным, она больше не намерена с ним жить. Вместе с малолетним сыном и сестрой княгиня Голицына прожила несколько лет в Европе, но не уставала удивлять тамошний свет своей красотой и эксцентричностью. Так, встретив ее в Неаполе в 1803 году писал о княгине русский дипломат Александр Булгаков: «На сих днях приехала сюда княгиня Голицына. Она прекрасна: чёрные волосы, чёрные брови и чёрные глаза, зубы диковинные, рот, осанка прекрасны, хотя и дурно держится, только нос нехорош; одевается, говорит, смотрит — всё странно и не так, как другие. Весь Неаполь о ней говорит: она похожа на принцессу моей души; все здешние красавицы от неё упали и приуныли».
Именно в Европе Голицына встретила свою настоящую любовь — флигель-адъютанта Александра I Михаила Долгорукова. Красота князя, его острый ум, рассудительность, и любезность, с которой он обращался с Голицыной, пленили искушенную княжну. Своей влюбленности Голицына была верна долгие годы. С Долгоруким они прожили несколько счастливых лет, Голицына даже просила развода у своего мужа, но упрямый князь не согласился на это. К сожалению, влюбленным не суждено было вместе прожить долгую и счастливую жизнь. В 1808 году во время русско-шведской войны князя Долгорукова убили. Голицына была безутешна. Даже спустя годы после смерти возлюбленного имя княгини осталось безупречно неприкосновенным.
Княгиня славилась своими необычными поступками и увлечениями, она любила удивлять публику, иногда впадая в крайности. Во время войны 1812 года Голицына стала ярой патриоткой: она печатала духоподъемные брошюры и занималась благотворительностью. Она могла заявиться на бал в русском сарафане и кокошнике, отстаивая все русское. Голицына даже объявила войну использованию в сельском хозяйстве завезенной из-за границы картошки.
После возвращения из Европы Евдокия Голицына загорелась идеей открыть в Петербурге литературный салон. В 1816 году она стала собирать у себя лучших представителей столичного света. Примечательно, что салон княгини не открывался раньше десяти часов вечера. За это ее прозвали «Princesse Nocturne», или «княгиня ночи». Говорят, еще во время жизни в Европе, знаменитая прорицательница и гадалка Мари Ленорман предсказала ей, что она умрет ночью. С тех пор Голицына боялась ночей. Днем она спала, а к полуночи собирала у себя в доме на Миллионной улице, 30 кружок избранных друзей. У нее бывали все столичные и приезжие знаменитости: Василий Жуковский, Николай Карамзин, Константин Батюшков, князь Петр Вяземский и даже 18-летний Александр Пушкин. Голицына принимала своих гостей в нарядах, похожих на древнеримские облачения. Беседы в ее салоне отличались непринужденностью и свободой высказываемых идей. Князь Вяземский так описывал хозяйку:
«Она была очень красива, и в красоте её выражалась своя особенность. Не знаю, какова была она в первой своей молодости, но и вторая, и третья молодость её пленяли какою-то свежестью и целомудрием девственности. Чёрные, выразительные глаза, густые тёмные волосы, падающие на плеча извилистыми локонами, южный матовый колорит лица, улыбка добродушная и грациозная: придайте к тому голос, произношение необыкновенно мягкое и благозвучное… вообще красота её отзывалась чем-то пластическим, напоминавшим древнее греческое изваяние. В ней ничто не обнаруживало обдуманной озабоченности, житейской женской изворотливости и суетливости».
Голицына имела много поклонников, но после смерти Долгорукова держалась в рамках строгой нравственности. Одним из ее преданных почитателей был Михаил Орлов. Они сошлись во взглядах на русскую историю и роль народа в ней. Карамзин называл ее Пифией, а Пушкин был не на шутку влюблен и посвящал Голицыной стихи. Над сердечной привязанностью молодого поэта к «Ночной княгине» подшучивал даже Карамзин и писал, что Пушкин ночи напролет проводит у нее вечера: «лжет от любви, сердится от любви, только еще не пишет от любви». Но муза не заставила себя долго ждать. Известны три стихотворения, посвященные Голицыной, одно из которых содержит строки:
Где женщина — не с хладной красотой,
Но с пламенной, пленительной, живой?
Где разговор найду непринуждённый,
Блистательный, весёлый, просвещённый?
С кем можно быть не хладным, не пустым?
Отечество почти я ненавидел —
Но я вчера Голицыну увидел
И примирён с отечеством моим.
Голицына блистала в Петербурге, но годы берут свое. Со временем, он красоты княгини не осталось и следа, теперь некогда прекрасную Пифию именовали не иначе как старухой. В 1830-х годах В. Ленц отозвался о ней, после встречи на одном из приемов: «Старая и страшно безобразная, она носила всегда платья резких цветов, слыла учёной и, говорят, вела переписку с парижскими академиками по математическим вопросам. Мне она показалась просто скучным синим чулком». В это же время, кстати, у Голицыной появился шанс отомстить своему мужу за несбывшееся счастье. Он просил развод для женитьбы на фрейлине Александре Россет, но согласия жены на это князь, разумеется, не получил, а Голицына спасла бедную невесту от нежеланного брака.
В последние годы она действительно заинтересовалась наукой и занялась высшей математикой. Возможно, она действительно была увлечена этим, а может, это была очередная необычная прихоть взбалмошной княгини. Голицына дружила с выдающимися математиками и даже издала собственные сочинения по математике, в которых однако же, по словам академика Буняковского, не было «ничего математического». В 1840-х годах она уехала в Париж, где продолжила заниматься математикой и литературой. Посетивший ее в 1844 году Александр Тургенев высказал сомнения в умственных способностях княгини, время не пощадило некогда блистательную и умную женщину. К концу жизни Голицына углубилась в религию и отличалась большой набожностью. Она скончалась в Петербурге в 1850 году, а на могиле повелела написать: «Прошу православных русских и проходящих здесь помолиться за рабу Божию, дабы услышал Господь мои теплые молитвы у престола Всевышнего, для сохранения духа русского».