Elsa Pataky asistió a la Universidad de San Pablo CEU, donde estudió periodismo y comenzó a interesarse en la actuación. Se unió al Teatro Cámara de Ángel Gutiérrez, una compañía de teatro en Madrid, y dejó la universidad cuando se le ofreció un papel en la larga serie de televisión española Al salir de clase (1997). Elsa estuvo en el elenco de la serie de televisión Reina de espadas en el año 2000 como Vera Hidalgo, y tuvo un papel recurrente en la serie de televisión Los Serrano en 2003. Co protagonizó la película francesa Iznogoud (2004), la película de acción noir Give 'Em Hell, Malone (2009) y Rehenes del miedo (2009) del legendario, Dario Argento. Podría decirse que uno de los personajes que terminó de colocarla en la cima de Hollywood fue el de la Oficial Elena Neves en la película Rápidos y Furiosos: 5in control (2011), con Dwayne Johnson como su compañero, y repitió el papel en Rápidos y furiosos 6 (2013), Rápidos y furiosos 7 (2015) y Rápidos y furiosos 8 (2017). En 2018 protagonizó la serie australiana de Netflix Tidelands como Adrielle Cuthbert. Elsa mantiene una relación con el también actor Chris Hemsworth, con quien ya ha formado una familia.