Nata a Palencia, nella Castiglia e León, Anaya debutta al cinema con un piccolo ruolo nel film Adiòs Naboelk del 1995, a cui segue l'anno seguente Africa, film in cui l'attrice ha una maggiore visibilità. La fama internazionale però arriva soltanto nel 2001 grazie alla sua interpretazione nel film drammatico Lucía y el sexo, per la quale viene nominata come migliore attrice non protagonista ai Goya Award. Per la stessa interpretazione otterrà il premio Award of the Spanish Actors Union.

Successivamente a Lucia y el sexo, Elena Anaya recita al fianco di Penélope Cruz in Nessuna notizia da Dio ed in Parla con lei di Pedro Almodóvar. Nel 2004 recita nel ruolo di una vampira in Van Helsing, in quello che probabilmente rimane il suo ruolo hollywoodiano più celebre. Nel 2006 è stata nominata come miglior attrice non protagonista ai Barcelona Film Award per il film horror Fragile - A ghost story. L'attrice è comparsa anche nel videoclip di Justin Timberlake SexyBack del 2006.

Nel 2011 recita al fianco di Antonio Banderas nel film La pelle che abito di Almodóvar, grazie a questo ruolo riceve il Premio Goya come migliore attrice protagonista (Mejor interpretación femenina protagonista) per la prima volta e il premio Fotogrammi d'argento come migliore attrice protagonista per la seconda volta (l'anno precedente lo aveva vinto per il film Habitación en Roma).