Η Έλενα Ναθαναήλ γεννήθηκε στις 19 Ιανουαρίου του 1947 στη Νέα Φιλαδέλφεια, τότε φτωχό προάστιο των Αθηνών. Το επώνυμο Ναθαναήλ ήταν το μητρώνυμό της. Ολόκληρο το ονοματεπώνυμο της ήταν Ελένη Ναθαναήλ Δεληβασίλη.
Τελείωσε το Ιταλικό Γυμνάσιο και το Λύκειο Τεχνών της Ρώμης όπου σπούδασε ζωγραφική και διακόσμηση. Το κινηματογραφικό της ντεμπούτο το έκανε σε ηλικία 16 ετών στην ταινία του Γ. Δαλιανίδη «Κάτι να Καίει» το 1963. Η εντυπωσιακή της εμφάνιση την έκανε αμέσως γνωστή και εκτός συνόρων. Έτσι η επόμενη συμμετοχή της σε ταινία ήταν στην γερμανική παραγωγή «Το Αίμα των Βελσούγκεν (Walsungen Blut)» του Ραλφ Τίλε, η οποία συμμετείχε στο Φεστιβάλ Βερολίνου το 1965, εξασφαλίζοντας της την υποψηφιότητα της για βραβείο ερμηνείας. Το 1966 επέστρεψε στην Ελλάδα και γύρισε τρείς επιτυχημένες ταινίες με συμπρωταγωνιστή τον Σπ. Φωκά. Οι ταινίες αυτές ήταν «Ο Φόβος», «Έρωτας στην Καυτή Άμμο», «Ντάμα Σπαθί». Την επόμενη χρονιά επιλέχθηκε ως μία από τις δύο Ευρωπαίες ηθοποιούς που θα διεκδικήσουν τον τίτλο της Deb – Star 1967 στο Χόλιγουντ, αλλά έχασε τον τίτλο από την ηθοποιό Σίβι Άμπεργκ. Στη συνέχεια σπούδασε στη Δραματική Σχολή του Π. Κατσέλη, απ’ όπου αποφοίτησε το 1969. Μέχρι σήμερα έχει λάβει μέρος σε 27 ταινίες και έχει κερδίσει το βραβείο Α’ γυναικείου ρόλου στο ΦΕΚΘ 1968 για την ταινία «Ραντεβού με μια Άγνωστη». Μεγάλες επιτυχίες σημείωσαν και οι ταινίες «Ο 13ος(1967)», «Επιχείρησις Απόλλων (1968)», «Ξύπνα Βασίλη (1969)», «Εκείνο το Καλοκαίρι (1971)». Άλλες ταινίες στις οποίες έχει πρωταγωνιστήσει είναι «Εθελοντής στον έρωτα(1971)», «Αντάρτες των πόλεων(1972)», «Ο αισιόδοξος(1973)», «Η πολιτσμάνα(1981)», «Ένας κοντός θα μας σώσει(1981)» κ.α.. Από το 1969 άρχισε να εμφανίζεται και στο θέατρο, ενώ περιορισμένες υπήρξαν οι τηλεοπτικές της εμφανίσεις. Υπήρξε, κατά γενική ομολογία, ένα από τα ομορφότερα πρόσωπα του ελληνικού κινηματογράφου.
Χτυπημένη από καρκίνο του πνεύμονα απεβίωσε στις 4 Μαρτίου του 2008.
