Desde pequeña, Elena quiso ser actriz, y con 18 años se fue a Cádiz para preparar las pruebas de acceso a la Real Escuela Superior de Arte Dramático de Madrid (RESAD). En 1996 debutó en el cine con la película África (1996) de Alfonso Ungría. Ese mismo año recibió una oferta de Fernando León de Aranoa para interpretar un personaje en su película Familia. Al finalizar ese rodaje, debido a las dificultades que suponía compaginar trabajo y estudios en la RESAD, abandonó la escuela para empezar en el estudio de Juan Carlos Corazza. Mientras recibía formación en la Escuela de Juan Carlos Corazza, Elena protagonizaba películas como Grandes ocasiones (Felipe Vega, 1998), Finisterre (Xavier Villaverde, 1998), Lágrimas Negras (Fernando Bauluz y Ricardo Franco, 1998), Las huellas borradas (Enrique Gabriel, 1999), El invierno de las Anjanas (Pedro Telechea, 2000) y El árbol del penitente (José María Borrel, 2000).

En 2001, Lucía y el Sexo supuso un giro importante en su carrera. Gracias a su interpretación en la película de Julio Medem Elena consiguió el reconocimiento nacional con una nominación al Goya 2002 a la Mejor Actriz Secundaria y el premio a la Mejor Actriz de Reparto de la Unión de Actores. Tras el éxito de Lucía y el sexo, Elena recibió numerosas ofertas. Colaboró en Sin noticias de Dios (2001) de Agustín Díaz Yanes, en la que compartió cartel con Penélope Cruz y Victoria Abril; Pedro Almodóvar le ofreció un papel en Hable con ella (2002); rueda Rencor (2002) de Miguel Albaladejo; Habitación Azul (2002) producción mexicana del director Walter Doehner; y Dos tipos duros (2003) una comedia de Juan Martínez Moreno, con Rosa María Sardá, Antonio Resines y Jordi Vilches.

Dos años después, en 2003, cuando el director Stephen Sommers (La Momia), la eligió para actuar en la superproducción Van Helsing (2004) junto a Hugh Jackman dio el salto internacional. Posteriormente Elena compartió cartel con Gary Oldman en Dead Fish (2004) de Charley Stadler. Ese año la European Film Promotion la eligió como una de las mayores estrellas del cine europeo. En los tres años siguientes participó en producciones españolas como Frágiles (Jaume Balagueró, 2005), Alatriste (Agustín Díaz Yanes, 2006), Miguel y William (Inés París, 2007) y Savage Grace (Tom Kalin, 2007) junto a Julianne Moore. 2008 fue un año de mucho trabajo para la actriz. Comenzó rodando en Francia L´instinct De Mort (Jean-François Richet) con Vincent Cassel y Gerard Depardieu, a continuación viajó a Egipto para rodar Cairo Time, drama romántico dirigido por Ruba Nadda, y regresó a España para ponerse de nuevo a las órdenes de Agustín Díaz Yanes en Sólo quiero caminar y participar en el rodaje de Hierro (Gabe Ibáñez).

En 2009, Elena protagonizó el largometraje Habitación en Roma, escrito y dirigido por Julio Medem, donde interpretó al personaje de Alba. A su vez rodo la película francesa Cuenta atrás, dirigida por Fred Cavayé encarnando el personaje de Nadia. En 2010 protagonizó, junto a Antonio Banderas, La Piel que habito de Pedro Almodóvar, papel por el cual recibió el Goya 2011 a la Mejor Actriz. En 2012, recibió el Premio honorifico Málaga Sur, entregado anualmente por el Festival de Cine de Málaga. Terminó el año rodando en Argentina Pensé que iba a haber fiesta. Nada más acabar el rodaje de la película de Victoria Galardi, se unió a los ensayos de Todos están muertos, primer largometraje de la realizadora Beatriz Sanchis.