Родилась в Петербурге 13 декабря 1784 года и была второй дочерью и четвёртым ребенком в семье наследника престола великого князя Павла Петровича и великой княгини Марии Федоровны. «Малютка эта — чрезвычайной красоты, — писала о ней бабушка-императрица Екатерина II, — вот почему я назвала ее Еленой, то есть в честь троянской красавицы Елены Прекрасной». Детство великой княжны прошло в дворцах Гатчины и Павловска. Она была чрезвычайно живым ребенком, имела веселый нрав и доброе сердце, с ранних лет проявляла особые способности к рисованию и танцам. И хотя Екатерина II не обделяла вниманием и других внуков, к Елене она питала особую слабость: «…прекрасная Елена процветает и ей-ей в шесть месяцев она уже умнее и живее старшей сестры, которой на той неделе будет два года».
В 1798 году ситуация в Европе сложилась так, что Россия, следуя своим союзническим обещаниям, решилась на более тесное военное сотрудничество с Австрией подкрепленное согласием на брак великой княжны Александры Павловны с эрцгерцогом Иосифом. И в это же время начались переговоры о браке Елены Павловны с принцем из небольшого, но политически выгодного государства — герцогства Мекленбургского. Переговоры шли без каких-либо осложнений и закончились успешно.
В Поденных придворных записях под 17 февраля 1799 года есть сообщение: «Прибыли в Санкт-Петербург их светлости Мекленбург-Шверинские принцы Фредерик и Карл. Имели помещение в Мраморном дворце. Сего числа приглашены к императорскому столу.»
Принц Фридрих Людвиг (1778—1819) был сыном Фридриха Франца I, великого герцога Мекленбург-Шверинского (1756—1837) и принцессы Луизы Саксен-Готской (1756—1808). Граф Ростопчин писал: «В понедельник, то есть 25 числа, едут в Павловск, а 24-го будет обручение великой княжны Елены… Принц — человек жеманный, в сущности простоватый и невежественный, но добрый малый…».
5 мая 1798 года была обручена, а 12(23)октября 1799 года в Гатчине вышла замуж за наследного принца Фридриха Людвига Мекленбург-Шверинского. Через неделю с таким же блеском отпраздновали свадьбу Александры Павловны. Свадебные торжества продолжались целый месяц. Подробности церемонии сохранились в Поденных придворных записях: «Двенадцатого октября. День бракосочетания ея императорского высочества великой княжны Елены Павловны с наследным принцем Мекленбург-Шверинским Фредериком. При пении „Тебе Бога хвалим“ произведен был 101 пушечный выстрел…»
В начале 1800 г. молодых супругов уже встречали в Шверине соответственно её высокому происхождению. Владетельный герцог Фридрих-Франц вышел приветствовать новую обитательницу дворца. Её кроткий взгляд и естественные манеры сразу расположили к себе простых людей. Большую часть времени супруги жили в своем дворце в Людвигслусте. По утрам Елена Павловна любила совершать с мужем прогулки в парке. Несмотря на замужество и беременность, она и в Мекленбурге не оставляла занятий науками, пополняя свое образование. Благодаря прекрасному воспитанию великая княжна уже в детстве владела главными европейскими языками и была знакома с основами многих серьёзных наук.
В 1801 году, во время пребывания Елены Павловны в Берлине, она покорила жителей своей красотой. Вместе с королевой Пруссии Луизой, красотой которой берлинцы очень гордились, их называли «четой роз».
В 1800 году у неё родился сын Пауль Фридрих, великий герцог Мекленбург-Шверинский. Юный принц был назван в честь своих дедов — императора Павла и герцога Фридриха Франца. В 1822 году женился на Александрине Прусской.
В марте 1803 родился второй ребёнок — дочь Мария Луиза Мекленбург-Шверинская (1803—1862), с 7 октября 1825 года супруга Георга, герцога Саксен-Альтенбургского (1796—1853) (предки великой княгини Елизаветы Маврикиевны).
Крепким здоровьем Елена Павловна не отличалась, а вторая беременность подорвала её здоровье ещё сильнее, и 24 сентября 1803 года Елена Павловна скончалась. Ей не исполнилось ещё и девятнадцати лет… Видимо, Елена Павловна заболела чахоткой, которую в то время не умели лечить.
В Мекленбурге искренне переживали горе в семье герцога. В таком отношении простых людей не было ничего удивительного. Сразу по приезде в Мекленбург Елена Павловна стала заниматься благотворительностью. Из своих средств она жертвовала большие суммы в кассы помощи бедным.
В отличие от судьбы её старшей сестры Александры, судьба Елены Павловны, казалось, была к ней благосклонней. Хотя обе княжны росли вместе, были почти неразлучны, в одно время выданы замуж, в одно время покинули родину, последовав за своими мужьями. Даже жизни их были на удивление схожими по своей краткости и прервались по одной и той же причине: Александра Павловна, как и её младшая сестра, скончалась после родов. Но всё же младшей на второй её родине повезло больше — Елена Павловна была окружена людьми благожелательными. Герцог-свёкор относился к ней по-отечески внимательно, двор и прислуга тоже любили наследную герцогиню (всё это разительно отличалось от холодного и чопорного австрийского двора).
В память о полюбившейся ему невестке Фридрих Франц велел воздвигнуть в дворцовом парке Людвигслуста над её могилой мавзолей, который стоит там до сих пор. На нём высечена надпись «Helenen Paulownen».
Скорбя о умершей так рано дочери, императрица Мария Фёдоровна заказала скульптору И. П. Мартосу памятник, чтобы установить его в своей летней резиденции Павловске. В 1806 году на небольшом островке, на который опирался средний устой двухарочного моста через речку Славянку, воздвигли довольно высокий пьедестал из розового мрамора, на нём урну-вазу из порфира с сидящими на ней бронзовыми голубками. На одной стороне пьедестала скульптор поместил беломраморный барельеф с изображением скорбящего Гения, держащего в одной руке венок из роз, в другой — опрокинутый факел как символ угасшей жизни … Памятник не уцелел.