Nach Abschluss ihrer Schauspielausbildung begann Elsner ihre Karriere an Theatern in München und Berlin. Unter der Regie von Edgar Reitz und István Szabó schuf sie sich einen Namen als Charakterdarstellerin in Kinofilmen.

In den 60er und 70er Jahren trat sie in eher belanglosen Unterhaltungsfilmen auf, so an der Seite von Peter Alexander in Zum Teufel mit der Penne, mit Beppo Brem in Allotria in Zell am See, mit Hansi Kraus in Die Lümmel von der ersten Bank und Pepe, der Paukerschreck und mit Georg Thomalla in Hurra, wir sind mal wieder Junggesellen. In den 80er und 90er Jahren wirkte Hannelore Elsner in zahlreichen Fernsehserien mit. Für die Darstellung der Lea Sommer in der Serie Die Kommissarin wurde sie 1995 mit dem Telestar ausgezeichnet.

Ihre größten Erfolge feierte Hannelore Elsner mit der Rückkehr auf die Kinoleinwand nach einer fünfzehnjährigen Pause. Die Rolle der Schriftstellerin Hanna Flanders in Oskar Roehlers Film Die Unberührbare brachte ihr 2000 den Deutschen Filmpreis, den Deutschen Kritikerpreis und den Bayerischen Filmpreis. Ein zweites Mal gewann sie den Deutschen Filmpreis 2003 mit Mein letzter Film von Oliver Hirschbiegel.

Daneben arbeitete sie auch als Synchronsprecherin und lieh zum Beispiel Liza Minnelli (u.a. in Cabaret oder Pookie) und Fanny Ardant (Acht Frauen) ihre Stimme.

1997 wurde Hannelore Elsner der Verdienstorden der Bundesrepublik Deutschland verliehen, 2006 erhielt sie den Bayerischen Fernsehpreis für ihr Lebenswerk.

Hannelore Elsner war von 1964 bis 1966 mit Schauspieler Gerd Vespermann verheiratet. Ab 1973 war Regisseur Alf Brustellin, der 1981 tödlich verunglückte, ihr Partner. 1993 heiratete sie den Theaterdramaturgen Uwe Carstensen. Mit dem Regisseur Dieter Wedel hat sie einen Sohn.