Figlia di José Francisco Lafuente, un biochimico e di Cristina Pataky Medianu, una addetta stampa di origine rumena e ungherese, dopo il diploma Elsa riesce a conciliare per qualche anno gli studi universitari con quelli di arte drammatica, finché le crescenti aspettative e ambizioni professionali non la inducono ad abbandonare l'università per dedicarsi solo alla recitazione. Grazie ai consigli e all'aiuto di grandi maestri come Ángel Gutiérrez e Paco Pino, realizza le sue prime importanti apparizioni sulle scene teatrali.

Il 1997 vede il suo debutto in televisione con la serie Al Salir de Clase, il cui successo le apre le porte del grande schermo. Del 1999 è il suo primo ruolo cinematografico in El arte de morir, un film campione di incassi in Spagna diretto da Álvaro Fernández Armero. Elsa Pataky ha recitato in oltre trenta film, alternando pellicole spagnole a produzioni estere, riportando successi in Francia con Iznogoud (2005), negli Stati Uniti, dove ha affiancato Samuel L. Jackson in Snakes on a Plane, e in Italia, dove ha recitato accanto a Verdone nel secondo capitolo di Manuale d'Amore, diretto da Veronesi. Ha partecipato anche a Fast & Furious 5 nel 2011, a Fast & Furious 6 nel 2013 e a Fast & Furious 7 nel 2015, vestendo i panni dell'agente Elena Neves.