Елена — единственная дочь короля Сербии Петра I из династии Карагеоргиевичей и Зорки Черногорской. Она была старшим ребенком в семье. Мать умерла, когда девочке было шесть лет. Отец большую часть жизни проводил вне Сербии, подолгу находился в Швейцарии, Франции, Италии, Черногории. Елена, как и два младших брата Георгий и Александр, будущий король Югославии, жила и воспитывалась у своего деда по материнской линии, черногорского князя Николы Негоша.
Лишь в 1903 году её отец, король-изгнанник, занял сербский престол. В своей внешней политике Пётр I ориентировался на Россию. Поэтому решил выдать свою дочь Елену за русского князя.
Свадьба Елены и князя императорской крови Иоанна Константиновича, сына великого князя Константина Константиновича, состоялась 21 августа 1911 года в Большом Петергофском дворце. Как полагалось, невеста была в русском платье из серебряной парчи, но без серебряной короны, так как жених не был великим князем. У них родилось двое детей:
В годы Первой мировой войны Елена Петровна организовала на свои средства санитарный поезд и по примеру многих других женщин из царской семьи отправилась на фронт. К ней присоединилась дочь великого князя Павла Александровича — Мария Павловна-младшая.
После переворота большевиков в 1918 году Иоанн Константинович вместе с братьями Игорем и Константином были высланы в Вятку, затем в Екатеринбург, а потом, в мае, перевезены в Алапаевск. Елена Петровна, хотя и не была арестована, отправилась вслед за мужем, оставив детей на попечение свекрови. Но встретиться с мужем ей не удалось. В ночь с 17 на 18 июля Иоанна Константиновича и его братьев живыми сбросили в шахту под городом и забросали гранатами. В конце июля, уже после гибели мужа и других «алапаевских» пленников, Елена Петровна под арестом была перевезена в Пермь. В судьбу принцессы вмешались сербское и норвежское посольства, под их давлением в ноябре 1918 года Елена Петровна была переведена в Москву. Врач С. Мицкевич дал свое заключение: «Мною констатирован у неё психоневроз в стадии тяжелого психического угнетения… с приступами острой тоски, с мыслями о самоубийстве… Дальнейшее заключение может ухудшить её психическое состояние и довести до тяжелой душевной болезни».
2 декабря 1918 года Президиум ВЦИК постановил передать её норвежскому посольству и «не препятствовать её выезду из пределов РСФСР».
После освобождения Елене Петровне удалось перебраться в Стокгольм, где уже находились её свекровь и дети. Детей она увезла в Сербию, затем некоторое время жила с ними во Франции, а потом переехала в Англию, где сын и дочь могли получить хорошее образование. Она настолько возненавидела Россию, что не пожелала, чтобы её дети учили русский язык.
Скончалась Елена Петровна 16 октября 1962 года в Ницце.