Elsa Lafuente Medianu es es hija de José Francisco Lafuente, un bioquímico español, y de Cristina Medianu Pataky, una publicista rumana. Sus padres se divorciaron cuando ella tenía cuatro años, asumiendo la custodia su padre, aunque a los 14 años de edad decidió ir a vivir con su madre. Tiene un hermano menor por parte de madre, Christian Prieto Medianu, nacido en 1991.
Su abuelo materno, Mircea Medianu, era actor y fue quien hizo descubrir a Elsa su afición por la interpretación. Adoptó el apellido Pataky de su abuela materna, Rosa Pataky, para iniciar su carrera como actriz. Compaginó sus estudios de periodismo en la Universidad CEU San Pablo1? de Madrid con sus estudios de Arte Dramático. Estudió con Ángel Gutiérrez en el Teatro Cámara y en el Centro Cultural de Las Rozas de Madrid. Más tarde amplió sus estudios con Paco Pino.
Habla español y rumano como idiomas nativos, y se desenvuelve con fluidez en inglés, italiano y francés. A los 15 años Elsa consigue que un amigo de sus padres le haga un book fotográfico. Son sus primeros pasos en el mundo de la escena, hacia donde se encamina definitivamente cuando más tarde combina sus estudios de periodismo con los de arte dramático.
Las primeras apariciones en escena de Elsa Pataky como actriz se producen en montajes teatrales producidos por el Centro Cultural Las Rozas y la Compañía de Ángel Gutiérrez. Aunque no se ha prodigado tanto en las tablas como en el cine y la televisión, su nombre ha aparecido también en los repartos de El maestro de esgrima y Fragmentos de Romeo y Julieta.
Aunque participa en otras producciones como Tío Willy de Televisión Española o la canadiense Queen of Swords, el apellido Pataky se hace conocido entre el gran público a partir de la intervención de Elsa en la serie española de televisión de temática juvenil Al salir de clase, emitida por Tele 5 en el año 1996. En ella comparte pantalla con otros muchos jóvenes actores que pocos años más tarde consolidarán sus carreras artísticas, como Pilar López de Ayala y Mariano Alameda.
Después de Al salir de clase, tiene abiertas las puertas de muchos programas de televisión y del cine. Hace una serie de apariciones en la popular telecomedia 7 vidas y debuta en el cine en el año 1999 con un papel en el telefilme Clara y en Tatawo. Su primer éxito en la gran pantalla llega en el 2000 con el rodaje del thriller juvenil El arte de morir que dirige Álvaro Fernández Armero y que ella protagoniza junto a Fele Martínez y Gustavo Salmerón.
Pese a estos inicios, la mayor parte de la carrera cinematográfica de Elsa Pataky se desarrolla haciendo comedias. Entre los años 2000 y 2002 participa en Menos es más, de Pascal Jongen; Noche de Reyes, de Miguel Bardem; Sin noticias de Dios, de Agustín Díaz Yanes, y Peor, imposible, dirigida por David Blanco y José Semprún.
El verano del 2003 es una de las épocas más importantes en la vida profesional de Elsa. Y es que a lo largo de estos meses, la actriz madrileña estrena prácticamente a la vez tres películas: El furgón, Beyond Re-Animator y Atraco a las 3... y media. Ya es uno de los personajes más famosos del país y algunos de los programas televisivos más populares la llaman para entrevistarla. Así, aparece en Lo + plus, La noche abierta y La noche con Fuentes. Su belleza la lleva a ser portada de Glamour, Man, FHM y Cosmopolitan.
Los últimos trabajos de Elsa Pataky en el año 2004 son su participación en diversos capítulos de la famosa serie de televisión Los Serrano y su papel protagonista en la película española de terror Romasanta. En 2005 estrenó también como protagonista una de sus películas más populares: Ninette, del cineasta José Luis Garci. Fue una versión cinematográfica de la obra teatral de Miguel Mihura y recibió 7 nominaciones a los Premios Goya de la Academia de Cine de España. Además, fue una de las tres películas candidatas a representar a España en los Premios Óscar.
Posteriormente, en 2006, interpretó un breve papel en la cinta de New Line Cinema Serpientes en el avión, que protagonizó Samuel L. Jackson. En esta aparecieron también actores como Julianna Margulies y Taylor Kitsch. Un año después apareció en la secuela de la comedia romántica italiana Manuale D’Amore, junto a Monica Bellucci y Carlo Verdone.
En 2008 participó en la película francesa de acción Skate or die, producida por Pathé y Canal Plus. Ese mismo año estrena la comedia de ciencia ficción hispanochilena Santos, junto a Guillermo Toledo, Javier Gutiérrez y Leonardo Sbaraglia. En 2009 estrenó Máncora, una coproducción entre Perú y España en la que ejerció de protagonista.? La cinta fue nominada al Gran Premio del Jurado en el Festival de Cine de Sundance. Ese mismo año interviene con un papel principal en el largometraje independiente estadounidense El infierno de Malone, dirigido por Russell Mulcahy y en el que compartió cartel con Thomas Jane.
En 2011 Pataky se hacía con un papel en la quinta entrega de Fast & Furious 5 (2011) de la franquicia de Universal Pictures, interpretando el papel de Elena Neves, una íntegra policía que lucha contra la corrupción. Desde la fecha, trabajaría en las cuatro siguientes entregas de la saga. En los filmes trabaja con los actores Vin Diesel, Paul Walker, Dwayne Johnson, Jordana Brewster, Jason Statham, Michelle Rodríguez, entre otros y bajo las órdenes del director James Wan.
En marzo de 2018, se confirmó el papel de Elsa Pataky como protagonista de la serie australiana Tidelands (La Tierra de las Mareas), dirigida por Toa Fraser y en la que interpreta a Arielle Cuthbert, una mujer mitad sirena mitad humana, dispuesta a proteger a su especie. ?En 2022 realizó un filme con Netflix, Interceptor.
Inició una relación con el actor australiano Chris Hemsworth, tras conocerse gracias a su profesora de inglés, quien los ayudaba a mejorar sus respectivos acentos. El 25 de diciembre de 2010, Pataky se casó en secreto con Hemsworth en una playa de una isla de Indonesia. El 8 de mayo de 2012 dio a luz en Notting Hill, Londres, a la primera hija del matrimonio, India Rose, y el 18 de marzo de 2014, en el hospital Cedars Sinai de Los Ángeles, nacieron los mellizos Tristán y Sasha.? La familia reside en Byron Bay, Australia.