Великая княгиня Елена Павловна родилась 28 декабря 1806 года в Штутгарте, в германском королевстве Вюртемберг. Она была первенцем в семье принца Павла Карла Фридриха Августа, младшего сына короля Вюртемберга Фридриха I и принцессы Шарлотты Саксен-Альтенбургской.
При рождении она получила имя Фредерика-Шарлотта-Мария и титул принцессы Вюртембергского дома. В семье ее звали Лотти.

В 1822 году, когда 15-летнюю принцессу заметила вдовствующая императрица Мария Фёдоровна. Ум, красота и характер девушки, её доброта и кротость, а также происхождение (Мария Фёдоровна приходилась тётей её отцу) повлияли на императрицу, искавшую невесту своему младшему сыну великому князю Михаилу Павловичу, который был старше невесты на 9 лет.   
Михаил Павлович вступал в брак не по собственному желанию. К тому времени он уже не один год был влюблён в одну из фрейлин своей матери Прасковью Хилькову и намеревался на ней жениться.
Однако Мария Фёдоровна решительно воспротивилась этому, Михаил Павлович был вынужден покориться воле «чугунной императрицы» и в декабре 1823 года обвенчался с принцессой Шарлоттой, получившей в православии имя Елены Павловны в память Святой Равноапостольной Елены.
Симпатичная, добрая, умная и пытливая девушка была чудо как мила и интересна. 

И со временем, постепенно умница Лотта, или как ее начали называть «мадам Мишель» смогла обуздать и облагородить своего неотесанного супруга, став верной женой и матерью их дочек.

 Невнимание и холодность Михаила Павловича к жене замечали многие и искренне сочувствовали Елене Павловне, участие в которой принимали все, кроме её собственного мужа.
Сближению не способствовала и разность интересов: Елена Павловна любила науки и искусства, а всё внимание Михаила Павловича было поглощено армией и службой. К тому же рождение пяти дочерей разочаровало его: он души не чаял в своих девочках, но страстно мечтал о сыне, с которым можно было бы вместе заниматься военными делами. 

 Но не только безразличие мужа было личной трагедией Елены Павловны.  Две младшие дочери умерли, не прожив и трёх лет, а две старших последовали за ними, не дожив и до двадцати двух. Это стало тяжёлым ударом для обоих супругов, но, несмотря на постигшее их большое горе, они так и не сблизились.

Елена Павловна на протяжении всей жизни оказывала помощь различным медицинским, образовательным и научным учреждениям и предприятиям, а также неординарным представителям разнообразных профессий.
24 октября 1828 года умерла вдовствующая императрица Мария Фёдоровна. Согласно её завещанию к великой княгине Елене Павловне перешло управление Мариинским и Повивальным институтами. Елена Павловна основала в 1844−1846 годах в Петербурге Елисаветинскую клиническую больницу для малолетних детей, а в Москве и Павловске — приюты Елисаветы и Марии. Елисаветинская больница стала первым специализированным центром для обучения врачей-педиатров.

На 20-летие совместной жизни Михаил Павлович подарил супруге в единоличное пользование Ораниенбаум — резиденцию Александра Меншикова, к тому моменту пришедшую в запустение. Елена Павловна вложила в его реставрацию всю душу и силы и, бывшие некогда роскошными Большой дворец и окружающий его парк снова приобрели блеск и великолепие. 

В 1849 году Михаил Павлович умер. Ей было 42 года, когда она овдовела. С этого момента и до самой смерти Елена Павловна носила траур.
И еще больше погрузилась в общественные и благотворительные дела. Великая княгиня становится одной из основательниц Крестовоздвиженской общины сестёр милосердия — предшественницы Русского общества Красного Креста. 

Когда великий хирург вернулся с Кавказской войны, где применил анестезию во время операции в полевых условиях, совершив настоящий прорыв в медицине, военный министр сделал ему строжайший выговор за расстёгнутую пуговицу на мундире и совершенно никаким образом не отметил достижение врача.
Пирогов был настолько потрясён произошедшим, что собирался даже покинуть Россию, однако Елена Павловна взяла гениального медика под своё покровительство, принимая живое участие во всех его проектах, а он, в свою очередь, выступал в защиту многих её инициатив.
 Поддержанная в своём начинании Пироговым, несмотря на противодействие со стороны высшего военного начальства, она сумела добиться согласия Николая I и создала первую в России военную общину сестёр милосердия с перевязочными пунктами и подвижными лазаретами.

Но не стоит думать, что только медицинской деятельностью и благотворительностью занималась Елена Павловна. Ее дворец всегда был центром сосредоточения именно культурной жизни. Но не только балами она занималась.
При жизни Елены Павловны, принадлежавший ей Михайловский дворец, стал центром культурной жизни Петербурга.
Её салон посещали многие известные люди того времени, включая посла Отто фон Бисмарка, князя А. М. Горчакова, министра иностранных дел империи, маркиза Астольфа де Кюстина, географа Александра фон Гумбольдта  и другие.

Пианист А. Г. Рубинштейн был не только её личным концертмейстером, но и соратником в осуществлении различных культурных проектов. Елена Павловна вместе с всё тем же А.Г. Рубинштейном решила организовать первую в России консерваторию,
учредить и открыть консерваторию в Санкт-Петербурге, она продала свои бриллианты.
 Одним из первых её выпускников был будущий великий композитор П. И. Чайковский, которым Елена Павловна гордилась больше других. Её доброты и участия Пётр Ильич не забыл и посвятил её памяти оперу «Черевички».

На очередной вечер в блистательном салоне Великой княгини Елены Павловны Романовой съезжался весь высший свет столицы. Здесь играли лучшие музыканты, выступали самые знаменитые поэты, присутствовали представители интеллектуальной элиты. Здесь можно было обсудить и новое полотно Айвазовского, и последний императорский указ.
Она покровительствовала А. А. Иванову, Карлу Брюллову, материально поддерживала И. К. Айвазовского. Учёный-путешественник Миклухо-Маклай посвятил ей свои исследования о Новой Гвинее.

В конце 1871 года Елена Павловна заболела рожистым воспалением волосистой части головы, последствием чего явился страшный упадок сил. По рекомендации врачей она отправилась в Италию и поселилась во Флоренции, где к ней вернулась былая бодрость. Вскоре, однако же, наступила опять слабость. Желая умереть дома, Елена Павловна решила вернуться в Россию. 

Елена Павловна умерла в Петербурге 9 января 1873 года в возрасте 66 лет, похоронена в Императорской усыпальнице в Петропавловском соборе Санкт-Петербурга, рядом со своим супругом и дочерьми Александрой и Анной.

Поэт Ф. И. Тютчев отозвался на это следующими словами: «Вряд ли кто её заменит».