In carriera è stata numero tre del mondo nell'aprile 2009, vincendo in tutto sedici tornei WTA in singolare a fronte di altrettante finali perse. Con la semifinale raggiunta agli US Open 2000, diventa la prima tennista russa a raggiungere tale traguardo nel Major statunitense. Tuttavia, vanta anche due finali Slam, raggiunte rispettivamente al Roland Garros e allo US Open nel 2004 e poi perse contro le connazionali Anastasija Myskina e Svetlana Kuznecova.
Ha partecipato in totale a 10 WTA Finals, giungendo solamente due volte in semifinale nel 2000 e nel 2008. Inoltre, ha terminato la stagione per sette volte tra le migliori dieci al mondo tra il 2003 e il 2010, con l'eccezione del 2007 quando scivolò all'undicesima posizione.
Nel suo palmarès sono presenti anche due medaglie olimpiche, ovvero una d'oro vinta alle Olimpiadi di Pechino 2008 e una d'argento alle Olimpiadi di Sydney 2000, insieme a una Fed Cup vinta nel 2005. Con la vittoria della medaglia d'oro a Pechino, è diventata la prima e unica tennista russa nella storia a vincerla, dopo aver battuto le connazionali Vera Zvonarëva in semifinale e Dinara Safina in finale.
Soddisfazioni sono arrivate anche nel doppio, specialità nella quale è stata numero cinque della classifica mondiale vincendo sei tornei WTA tra cui il Master di fine anno nel 2002. Ha raggiunto, inoltre, altre sette finali in questa specialità, tra cui la finale agli US Open nel 2002 con Janette Husárová e nel 2005 con Flavia Pennetta.
Ha annunciato il ritiro dalle competizioni nell'ottobre 2010, all'età di 29 anni.
Carriera tennistica 1999: gli inizi, top 100 e 1ª finale in Fed Cup Il 1999 segna l'esordio di Dement'eva in un torneo del Grande Slam, precisamente agli Australian Open. Qui, si impone nelle qualificazioni su Laurence Andretto per 6-4 6-1, Melissa Dowse per 6-2 6-1 e Jolene Watanabe-Giltz con un periodico 6-3. Accede, così, per la prima volta nel main draw, dove supera con facilità anche Gloria Pizzichini. Tuttavia, la sua corsa termina nel secondo turno, sconfitta dalla numero due del mondo Martina Hingis.
Successivamente, non passa le qualificazioni a Prostějov e al Lipton Championships, mentre si qualifica ad Amburgo, per poi cedere a Silvia Farina Elia. Fa meglio a Roma, in quanto esce al secondo turno per mano della top 20 Amélie Mauresmo, la quale si impone in rimonta per 6-1 3-6 5-7. Disputa gli Open di Francia uscendo al terzo turno di qualificazione, a causa della sconfitta inflittale da Pavlina Nola; tuttavia, rientra nel tabellone principale come lucky loser e riesce a estromettere Laura Golarsa, prima di cedere per 5-7 al terzo set contro Nathalie Dechy.
Nel 1999 Elena rappresentò la Russia nella finale di Fed Cup contro gli USA, segnando l'unico punto del suo team, grazie alla vittoria contro Venus Williams. Nel 1999 aveva compiuto anche il suo esordio in un torneo del Grande Slam, qualificandosi per l'Australian Open, il Roland Garros e Wimbledon e accedendo direttamente al tabellone dello US Open, nel quale ottenne il risultato migliore raggiungendo il terzo turno.
Raggiunge i suoi primi quarti di finale a Tashkent, in seguito alle vittorie su Hila Rosen per 7-5 6-4 e su Tat'jana Panova per 6-3 3-0 (la connazionale si ritira). Nel turno seguente, viene rimontata da Tina Pisnik.
Apre la stagione sull'erba con la qualificazione a Wimbledon. Sui campi londinesi, annichilisce Vanessa Menga e Karin Miller, mentre viene sconfitta da Seda Noorlander in un match complicato (5-7 7-5 4-6). Come a Parigi, viene ripescata come lucky loser, ma stavolta ha meno fortuna: viene rimontata all'esordio da Dominique Monami, numero 14 delle classifiche.
Ritorna sui campi in terra battuta nel torneo di Palermo, raggiungendo le sue prime semifinali ai danni di Patricia Wartusch, Samantha Reeves e Sarah Pitkowski-Malcor, per poi perdere in tre parziali contro la connazionale Anastasija Myskina. A fine torneo, entra per la prima volta tra le prime cento tenniste del mondo, fermandosi all'86º posto.
Dopo l'uscita da due tornei nelle qualificazioni, si presenta agli US Open. Si sbarazza di Christína Papadáki con un periodico 6-2 e rimonta Fabiola Zuluaga con il punteggio di 4-6 6-3 6-1; viene poi sconfitta da Conchita Martínez, nº 17 WTA, dandole comunque del filo da torcere: 2-6 6-2 4-6. Tuttavia, sale alla posizione nº 69.
Viene chiamata per giocare la finale contro gli Stati Uniti della Fed Cup 1999. Si aggiudicherà l'unico punto della Russia grazie alla sorprendente vittoria su Venus Williams, con il punteggio di 1-6 6-3 7–6(5). Infatti, verrà poi sconfitta da Lindsay Davenport con un netto 4-6 0-6 e, insieme a Elena Makarova, dalle Sorelle Williams per 2-6 1-6.
Superate le qualificazioni a Stoccarda, supera Lisa Raymond, prima di cedere alla top 10 Barbara Schett. Segue un primo turno a Zurigo (perso contro Corina Morariu) e a Mosca (cede contro Tat'jana Panova).
Chiude la stagione alla posizione numero 57 del mondo.
2000: argento olimpico, semifinale agli US Open e top 15 Apre la stagione con la sconfitta a Sydney nel primo turno di qualificazione contro Nadia Petrova. Vince due partite agli Australian Open contro Paola Suárez (6-0 3-6 8-6) e Ángeles Montolio (6-4 6-3), prima di venire rimontata da Julie Halard-Decugis, testa di serie numero nove.
Non si qualifica nel torneo di Parigi e di Hannover. Esplode, invece, nel torneo Tier I di Indian Wells, raggiungendo la semifinale contro ogni prognostico. Difatti, Dement'eva estromette in ordine: Katarina Srebotnik per 6-0 6-3; Anke Huber, nº 16 WTA, per 6-4 4-6 6-4; Magüi Serna per 4-6 6-4 6-4; Nathalie Dechy per 7–6(2) 6-2 e Chanda Rubin per 6-4 6-1. Affronta la numero due del mondo, Lindsay Davenport, che annichilisce la russa un'altra volta. A fine torneo sale al 39º posto del ranking. Nel torneo di Miami, invece, raggiunge gli ottavi di finale superando Daniela Hantuchová per 5-7 6-2 6-2; usufruisce del ritiro nel secondo parziale della top 5 Mary Pierce ed estromette con facilità Sarah Pitkowski-Malcor. Viene fermata in rimonta da Sandrine Testud, nº 13 WTA.
Esce di scena nel secondo turno del torneo di Ponte Vedra Beach al secondo turno per mano della top 10 Conchita Martínez. A Charleston viene sconfitta nel terzo turno da Amanda Coetzer.
Ritorna in Europa, precisamente a Berlino, dove si spinge fino ai quarti di finale imponendosi, tra le altre, su Arantxa Sánchez Vicario, numero nove della classifica mondiale, con il punteggio di 6-4 5-7 6-2: è la prima vittoria ufficiale su una giocatrice top 10. Sarà poi Joannette Kruger a superare la russa nel tie-break del terzo parziale. Ciò nonostante, entra di diritto tra le migliori 30 (26a tennista al mondo). Giunge a Roma, ma viene eliminata per la terza volta consecutiva da Lindsay Davenport, ora diventata la numero uno del mondo. Segue un ritiro nel secondo turno all'Open di Francia prima del match contro Virginie Razzano.
Recupera in tempo per Wimbledon, ma viene annichilita dalla connazionale Nadia Petrova, la quale le lascia appena due games.
Inizia la stagione sul cemento americano nel torneo di Estyle.com Classic. Qui, supera Nathalie Dechy, Kristina Brandi e Lisa Raymond, per poi cedere in semifinale nuovamente a Lindsay Davenport. Successivamente, agli US Open sorprende tutti, poiché si spinge fino alla semifinale stabilendo un record: diventa la prima tennista russa a tagliare tale traguardo nel torneo newyorkese. Qui, supera in ordine: Tara Snyder per 7-5 6-1; Sylvia Plischke per 6-4 7–6(6); Conchita Martínez, numero sette del mondo, per 6-4 6-1; Lilia Osterloh per 6-3 6(4)–7 7–6(5) ed Anke Huber, numero dieci del ranking, per 6-1 3-6 6-3. In semifinale affronta la sua bestia nera, la Davenport, contro la quale non ha scampo per la quinta volta (2-6 6(5)–7). Questo ottimo risultato, le consente di salire alla 19ª posizione della classifica mondiale, sua prima volta tra le top 20.
Rappresenta la Russia alle Olimpiadi di Sydney, proseguendo con il suo ottimo andamento. Nella corsa alla medaglia d'oro, supera in ordine: Miroslava Vavrinec per 6-1 6-1; Kristie Boogert per 6-2 4-6 7-5; Karina Habšudová per 6-2 6-1; Barbara Schett, testa di serie numero dodici, per 2-6 6-2 6-1 e Jelena Dokić per 2-6 6-4 6-4. È chiamata ad affronta Venus Williams in finale, ma viene travolta dalla statunitense che si vendica in due comodi parziali.
Il finale di stagione non è dei migliori e vede la Dement'eva venire sconfitta a Zurigo nel secondo turno da Anastasia Myskina, all'esordio a Linz per mano di Cara Black, ai quarti di finale a Mosca contro Martina Hingis (nº 1 WTA) e a Lipsia contro Elena Lichovceva, in semifinale a New York da Monica Seles (nº 4 WTA). Tuttavia, in quest'ultimo torneo Elena riesce finalmente ad imporsi sulla Davenport con lo score di 3-6 7–6(7) 6-4.
Al termine della stagione, il 25 dicembre 2000 Dement'eva diventa la tennista numero dodici del mondo. Inoltre, viene dichiarata la giocatrice WTA più migliorata (tour's Most Improved Player).
2001: due finali WTA, top 10 e 2ª finale in Fed Cup Inizia il 2001 con la sconfitta nei quarti di finale a Canberra, per mano di Nathalie Dechy. Agli Australian Open le viene accreditata la nona testa di serie, ma delude le aspettative venendo eliminata in rimonta nel terzo turno da Dája Bedáňová, nº 50 del mondo. Seguono un secondo turno a Parigi e a Nizza, estromessa entrambe le volte da Magdalena Maleeva (che le infligge anche un bagel). Tuttavia, sale alla decima posizione del mondo, entrando per la prima volta nella top 10. In un inizio di stagione privo di successi, spicca una finale raggiunta ad Acapulco, poi persa per mano di Amanda Coetzer con il punteggio di 6-2 1-6 2-6.
Successivamente, a Indian Wells supera Kristina Brandi per 6-2 6-0, Anne Kremer per 6-1 6-4 ed usufruisce del ritiro di Lina Krasnoruckaja sul 6-3 per Dement'eva; nei quarti di finale viene annichilita dalla numero tre del mondo, Venus Williams. Si rifà a Miami raggiungendo la semifinale senza perdere un set. Infatti, la russa ottiene un bye al primo turno, per superare con lo score 6-2 2-0 (causa ritiro) Alexandra Stevenson; Silvija Talaja per 6-4 6-2 ed Arantxa Sánchez Vicario, ex top 10, per 6-1 6-2 e per la seconda volta in carriera supera la numero due della classifica, Lindsay Davenport, stavolta per 6-3 1-0, poiché la statunitense si ritira. Nonostante ciò, viene annientata da Jennifer Capriati, la quale le lascia la miseria di due games.
Salita al nono posto, prende parte al torneo di Ponte Vedra Beach, venendo costretta al ritiro nei quarti di finale contro Amélie Mauresmo. All'Open di Francia non va oltre il secondo turno, sconfitta da Henrieta Nagyová. In seguito, perde all'esordio a 's-Hertogenbosch per mano di Iroda Tuljaganova, nº 68 del mondo. Nel torneo di Wimbledon, dopo due vittorie sofferte sulle meno quotate Allison Bradshaw e Bianka Lamade, cede ad Anke Huber per 0-6 2-6. Prende parte al torneo di Vienna, dove viene sconfitta ancora una volta da Tuljaganova. Interrompe la striscia di risultati negativi nella Fed Cup, dove si impone su Nagyová e Daniela Hantuchová. Nei successivi tornei, i risultati della russa sono i seguenti: quarti di finale nell'Estyle.com Classica, rimontata da Lindsay Davenport; terzo turno nella Rogers Cup, estromessa da Sandrine Testud per 7–6(2) 5-7 6(4)–7; primo turno a New Haven, fermata da Jelena Dokić. Si presenta agli US Open, dove elimina Cho Yoon-jeong per 6-3 7-5; Karina Habšudová per 7–6(5) 5-7 6-0 ed Anke Huber per 6-3 7-5. Viene poi sconfitta con difficoltà dalla top 5 Kim Clijsters. A fine Slam, scende alla posizione nº 17 del mondo.
Ritorna in Europa, dove disputa la semifinale in Lipsia, sconfitta nuovamente da Clijsters. Raggiunge la finale nel torneo di casa, la Kremlin Cup, imponendosi nei quarti di finale sulla numero uno del mondo, Martina Hingis. Tuttavia, incontra nuovamente Jelena Dokic, che le nega il trofeo.