Елена начинала свою теннисную карьеру в семилетнем возрасте, когда её зачислили в секцию спортивного общества «Спартак». Первым её тренером была Рауза Исланова. С 1996 года Елена тренируется в ЦСКА. Тогда же в 1996 году у неё появляются первые успехи среди юниоров — победа в открытом чемпионате Франции.

Елена начала профессиональную карьеру в 1998 году и уже год спустя вошла в первую сотню мирового рейтинга.

В 1999 году Елена впервые дошла до полуфинала турнира в Палермо, а также вошла в российскую сборную. В рамках Кубка Федерации ей пришлось играть с Винус Уильямс, и Елена одержала первую значительную победу.

В 2000 Елена Дементьева стала первой российской теннисисткой, вышедшей в полуфинал Открытого чемпионата США, где уступила Линдсей Дэвенпорт. В том же году стала обладательницей серебряной медали по теннису на Олимпийских играх в Сиднее (в финале она проиграла Винус Уильямс). Свой первый турнир WTA Елена выиграла в 2003 году. В 2004 году Елена дважды выходила в финал турниров Большого шлема, однако оба раза она эти чисто российские финалы проиграла (на Открытом чемпионате Франции Анастасии Мыскиной и на Открытом чемпионате США Светлане Кузнецовой).

На протяжении долгого времени Елена уверенно входит в десятку лучших теннисисток планеты. Елена Дементьева стала главной героиней финала Кубка Федерации 2005, второй раз подряд выигранного сборной России.

Елена уже 8 сезонов подряд (начиная с 2000) неизменно заканчивает год в топ-20 мирового женского рейтинга.

В 2004 году на Олимпийских играх в Афинах проиграла в первом круге.

17 августа 2008 года победила на Олимпийских играх в одиночном разряде, обыграв российскую теннисистку Динару Сафину.

С 2009 года тренируется у Андрея Ольховского.

После представительного турнира в Майами в апреле 2009 года Елена поднялась на третью строчку мирового рейтинга. Это её наивысшее достижение в WTA.

14 января 2010 года Елена выиграла свой 15 титул в карьере на турнире категории Premier tournaments в Сиднее. В финале она обыграла первую ракетку мира Серену Уильямс.