Родилась в Москве в семье музыкантов. В РАМ имени Гнесиных окончила с отличием в 1994 году дирижёрско-хоровой факультет, в 1996 году — вокальный факультет. В 1998 году там же окончила ассистентуру-стажировку вокального факультета (класс Л. Дударевой).

С 1997 по 1999 год — стажёр оперной труппы, а с 1999 года — солистка оперы Большого театра России.

В 2005 году — лауреат премии Попечительского совета Большого театра России.

В 2007 году — лауреат Всероссийского конкурса «Лидер года» в номинации «Лучшая оперная певица».

В 2015 году получила Гран-при Международного конкурса Musica Classica в номинации «Профессионалы».

Исполняет следующие партии: Полина и Графиня («Пиковая дама» П. И. Чайковского), Ольга («Евгений Онегин» П. И. Чайковского), Фёдор Басманов («Опричник» П. И. Чайковского), Ваня («Иван Сусанин» Глинки), Лель («Снегурочка» Римского-Корсакова), Любаша («Царская невеста» Римского-Корсакова), Кащеевна («Кащей Бессмертный» Римского-Корсакова), Бланш («Игрок» Прокофьева), Клариче («Любовь к трём апельсинам» Прокофьева), Гадалка («Огненный ангел» Прокофьева), Фенена («Набукко» Верди), Миссис Куикли («Фальстаф» Верди), Вагнер («Дети Розенталя» Десятникова), Снежная королева («История Кая и Герды» Баневича), Балда («Балда» Праведникова), Епанчина («Идиот» Вайнберга), князь Орловский («Летучая мышь» Штрауса), Слепая мать Джоконды («Джоконда» Понкьелли), Мефистофель («Фауст» Шнитке). 

Кроме того, исполняет партии меццо-сопрано (альта) в «Маленькой Торжественной мессе» Россини, Stabat Mater Перголези, Stabat Mater Дворжака, Реквиеме Моцарта, Реквиеме Верди, Реквиеме Сальери, Реквиеме Дворжака, Девятой симфонии и Missa solemnis Бетховена, «Песне о Земле» и Восьмой симфонии Малера, кантате «Москва» П. И. Чайковского.

На IV Международном фестивале вокальной музыки «Опера априори» приняла участие в российской премьере оперы Сибелиуса «Дева в башне» («Хозяйка замка»).

Как драматическая актриса сыграла роль Катаритэ в балете «Тамаши» («Дух»).

В соавторстве с Л. Голушкиной написала и осуществила постановку пьесы «Н. Голованов. Сокровенное» (в основу легли романсы Н. Голованова в исполнении Евгении Сегенюк).

Участница проекта Rock & Opera («Легенды оперы»).

Специально для Евгении Сегенюк композитором В. Бесединой написана партия Екатерины Великой в опере «Самозванка» («Государыня») и партия альта в кантате «Хранителям Руси».

Имеет обширный камерный репертуар, постоянно выступает с сольными программами.

Работала с такими выдающимися дирижёрами, как Евгений Светланов, Геннадий Рождественский, Марк Эрмлер, Гинтарас Ринкявичус, Владимир Федосеев, Юрий Башмет, Валерий Полянский, Михал Клауза, Олли Мустонен. Сотрудничала с известными режиссёрами, среди которых Борис Покровский, Франческа Замбелло, Петер Конвичный, Александр Титель, Эймунтас Някрошюс, Александр Сокуров, Лев Додин, Сергей Женовач, Римас Туминаc, Питер Устинов, Валерий Фокин, Евгений Арье. 

Неоднократно принимала участие в авторских концертах Т. Н. Хренникова и записи его произведений, за что получила высокую оценку в мире.

Гастролирует по стране и за рубежом: Южная Корея, Италия, Гонконг, Польша, Словения, Великобритания, Финляндия, Латвия, Греция, Япония, Марокко, Иордания, Украина, Норвегия, Дания, Швейцария.

Преподавала в РАМ имени Гнесиных.