Елена Дементьева начала заниматься теннисом в 7 лет. В 1996 году вышла в полуфинал юниорского «Ролан Гаррос» и выиграла «Orange Bowl» в возрастной категории до 16 лет. Через год повторился успех – Елена завоевала титул «Orange Bowl» уже в категории до 18 лет.

С 1996 по 1998 выиграла три турнира ITF. В 1998 стала профессионалом. В 1999 году играла в основной сетке всех четырех турниров «Большого шлема», поднялась в Топ-100 женского рейтинга.

В 2000 году Дементьева выиграла серебро на Олимпиаде в Сиднее, уступив в финале Винус Уильямс. Вышла в полуфиналы в Индиан-Уэллсе и «US Open», оба раза проиграла Дэвенпорт. Стала первой россиянкой, вышедшей в полуфиналы «US Open», а также первой побывавшей в полуфинале итогового «Tour Championships», где впервые обыграла Дэвенпорт, но уступила Монике Селеш. Поднялась на 11 строчку рейтинга.

С 2001 по 2003 год Дементьева держала место в первой мировой двадцатке. В этот период Дементьева вышла в финал Кубка Кремля, в полуфинал Майами, а в 2002 добралась до четвертого раунда на трех турнирах «Большого шлема».

2003 год стал для Елены урожайным на титулы, их было три. Этим Дементьева поставила личный рекорд по количеству выигранных за сезон турниров, который держится до нынешнего времени. Также играла в полуфиналах турниров первой категории в Канаде и в Москве. Стала восьмой ракеткой мира.

2004 год один из самых удачных в карьере Елены. Она выиграла турнир в Хасселте, играла в пяти финалах, причем два из них Дементьева провела на «Ролан Гаррос» и «US Open», в которых она уступила соотечественницам Анастасии Мыскиной и Светлане Кузнецовой соответственно. В финале Кубка Кремля также уступила Анастасии Мыскиной, в финале Майами – Серене Уильямс. По итогам года стала шестой ракеткой мира. Дементьева стала единственной на данный момент россиянкой, сыгравшей в двух финалах турниров «Большого шлема» в течение одного сезона. В финале Кубка Кремля также уступила Анастасии Мыскиной, в финале Майами – Серене Уильямс. По итогам года стала шестой ракеткой мира.

В 2005 и 2006 Елена Дементьева удерживала позиции в мировой десятке. В этот период она играла в полуфиналах «US Open», Индиан-Уэллса, «Кубка Кремля», выходила в финал Чарльстона. В 2005 году стала главной героиней финала «Кубка Федерации» против сборной Франции, выиграв на выезде все три встречи. Четвертый год подряд по итогам сезона осталась в Топ-10.

В 2007 году в начале сезона Дементьева получила травму – стрессовый перелом ребра, и почти на три месяца выбыла из соревнований. После возвращения выиграла турнир в Стамбуле и впервые победила на «Кубке Кремля», где в финале впервые в карьере обыграла Серену Уильямс. Вышла в полуфиналы турниров в Токио и Сан-Диего. Сезон закончила на 11 строчке в рейтинге.

В 2008 году на «Australian Open» в четвертом раунде уступила будущей победительнице Марии Шараповой.

На Олимпиаде в Пекине завоевала золотую медаль, обыграв в финале Динару Сафину.

Дебютировала за сборную в 1999 году. В том розыгрыше «Кубка Федерации» Россия проиграла в финале американкам 1:4, а Дементьева одержала единственную победу в противостоянии. В 2001 году вывела сборную в финал, в 2005 выиграла все три своих матча в решающем поединке с француженками и завоевала вместе со сборной Кубок Федерации.

В 2001 году названа «Спортсменкой года» по версии РТФ, выиграла 6 турниров в паре, серебряный призер Олимпиады в Сиднее, обладательница Кубка Федерации.