Родилась 7 июля 1939 г. в Ленинграде (ныне - Санкт-Петербург) в семье инженера.
В годы блокады оставалась с матерью в городе до весны 1943 г., пока они не были эвакуированы в Вологодскую область. Там они прожили до конца войны, а затем вернулись в Ленинград.
С 1948 г. по 1954 г. Елена Образцова пела в составе детского хора Ленинградского дворца пионеров им. А. А. Жданова (ныне - Санкт-Петербургский городской Дворец творчества юных) под руководством Марии Заринской.
В 1954-1957 гг. проживала с семьей в Таганроге (Ростовская обл.), где училась на вокальных курсах в музыкальной школе им. П. И. Чайковского. В 1957 г., после переезда в Ростов-на-Дону, была принята в Ростовское музыкальное училище сразу на второй курс. Через год поступила на подготовительное отделение Ленинградской государственной консерватории им. Н. А. Римского-Корсакова.
В 1962 г. Елена Образцова стала лауреатом VIII Всемирного фестиваля молодежи и студентов в Хельсинки (Финляндия) и II Всесоюзного конкурса вокалистов им. М. И. Глинки в Москве. В 1963 г., будучи студенткой, дебютировала на сцене Государственного академического Большого театра в партии Марины Мнишек в опере Модеста Мусоргского "Борис Годунов".
В 1964 г. Елена Образцова (певческий голос - меццо-сопрано) окончила экстерном Ленинградскую консерваторию по вокальному классу Антонины Григорьевой. В том же году была принята в оперную труппу Большого театра, где вскоре стала солисткой. На протяжении карьеры исполнила на его сцене более 30 партий. В их числе: княжна Марья и Элен Безухова в "Войне и мире" Сергея Прокофьева, Амнерис в "Аиде" Джузеппе Верди, Любаша в "Царской невесте" Николая Римского-Корсакова, Марфа в "Хованщине" Модеста Мусоргского, Кармен в одноименной опере Жоржа Бизе, Сантуцца в "Сельской чести" Пьетро Масканьи, Джованна Сеймур в "Анне Болейн" Гаэтано Доницетти, Иокаста в "Царе Эдипе" Игоря Стравинского и др.
В 1970 г. Елена Образцова была удостоена высших наград Международного конкурса им. П. И. Чайковского в Москве и Международного конкурса вокалистов им. Франсиско Виньяса в Барселоне (Испания). В 1971 г. в Париже состоялся ее первый сольный концерт. Гастроли в Милане, Вене, Токио, Нью-Йорке принесли певице мировую известность. В 1975 г. на фестивале к столетию оперы "Кармен" в Испании она была признана лучшей исполнительницей партии этой героини на мировой сцене.
На протяжении карьеры Елена Образцова сотрудничала с оперными певцами Лучано Паваротти, Пласидо Доминго, Хосе Каррерасом, Монсеррат Кабалье, а также с дирижерами Гербертом фон Караяном, Юрием Темиркановым и Владимиром Спиваковым.
Камерные концерты Елены Образцовой включали произведения Михаила Глинки, Петра Чайковского, Сергея Рахманинова, Георгия Свиридова, Рихарда Вагнера, Вольфганга Моцарта, Иоганна Баха и др. Также она исполняла оратории, кантаты, мессы Антонио Вивальди, Джоаккино Россини, Иоганнеса Брамса и др.
Певица записала более 50 музыкальных дисков на отечественных и зарубежных студиях.
C 1973 г. по 1994 г. Елена Образцова преподавала в Московской государственной консерватории им. П. И. Чайковского. Профессор (1984).
В 1986 г. в качестве режиссера поставила в Большом театре оперу Жюля Массне "Вертер", исполнила в ней главную партию Шарлотты.
В 1996 г. в Санкт-Петербурге Елена Образцова учредила культурный центр, получивший ее имя, где работала с молодыми исполнителями.
В 1999 г. дебютировала на драматической сцене в роли Амалии в спектакле Романа Виктюка "Антонио фон Эльба" по пьесе Ренато Майнарди, а в 2012 г. - в его постановке "Реквием по Радамесу" по произведению Альдо Николаи. Премьера первого спектакля прошла во Дворце культуры им. А. М. Горького (Санкт-Петербург), второго - в Московском академическом театре сатиры.
В 2007-2008 гг. Елена Образцова возглавляла оперную труппу Михайловского театра (Санкт-Петербург).
В 2011 г. по ее инициативе был учрежден Благотворительный фонд поддержки музыкального искусства "Фонд Елены Образцовой".
В разные годы певица входила в жюри престижных музыкальных смотров: Международного конкурса им. П. И. Чайковского в Москве, Международного конкурса вокалистов в Марселе (Франция), Международного конкурса оперных певцов Монтсеррат Кабалье в Андорре и др.
Елена Образцова скончалась 12 января 2015 г. в Лейпциге (Германия) на 76-м году жизни. Похоронена на Новодевичьем кладбище в Москве.
Герой Социалистического Труда (1990).
Народная артистка СССР (1976).
Была награждена орденами Трудового Красного Знамени (1971, 1980), Ленина (1990), "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2009, 1999, 2014), отмечена благодарностью президента РФ (2001) и Почетной грамотой правительства РФ (2011).
Лауреат Государственной премии РСФСР им. М. И. Глинки (1973) и Ленинской премии (1976).
Дважды была замужем. Первый супруг - физик Вячеслав Макаров. От брака с ним - дочь Елена Макарова (род. 1966, певица). Вторым мужем Елены Образцовой был народный артист РСФСР дирижер Альгис Жюрайтис.