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 тренировалась 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 году 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 со счётом 2-6 4-6). 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).
В 2004 году на Олимпийских играх в Афинах проиграла в первом круге австралийке Алисии Молик.
Дементьева стала главной героиней финала Кубка Федерации 2005 года, второй раз подряд выигранного сборной России.
Елена 11 сезонов подряд (начиная с 2000 года) неизменно заканчивала год в топ-20 мирового женского рейтинга.
17 августа 2008 года победила на Олимпийских играх в одиночном разряде, обыграв в финале Динару Сафину. В интервью после финального матча Елена сказала:
С 2009 года тренировалась 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-й титул в карьере на турнире категории Premier tournaments в Сиднее. В финале она обыграла первую ракетку мира Серену Уильямс.
29 октября 2010 года, по окончании своего участия в турнире WTA в Дохе Дементьева объявила о завершении профессиональной карьеры.
16 июля 2011 года вышла замуж за хоккеиста Максима Афиногенова.
В октябре 2011 года Елена стала телеведущей. Она ведёт свою программу «Кухня» на телеканале «КХЛ ТВ»
В конце 1990-х Елена ничем особым не блистала, находясь за спиной своих, как тогда казалось, более талантливых сверстниц — Анастасии Мыскиной, Лины Красноруцкой, не говоря уж об Анне Курниковой. Сезон 2000 года Дементьева начала с 62-й позиции в мировом рейтинге, и поначалу ничто не предвещало сенсации. Но затем она дошла до полуфинала Открытого первенства США, а три недели спустя завоевала олимпийское серебро в Сиднее. На кортах Австралии болельщики и специалисты впервые обратили внимание на расчетливую и умную игру юной россиянки.
В первой половине 2000-х годов многие специалисты отмечали, что слабым местом Елены были психологическая неустойчивость и подача . Но после ряда блестящих побед Елена доказала, что может справляться с этими трудностями. В то же время, теннисистка большое внимание старалась уделять физической подготовке, что было очень заметно — Елена прекрасно двигалась по корту, предпочитая атакующую манеру игры .