In ihren Anfangsjahren wird sie vor allem in mittelmäßigen Unterhaltungsfilmen mit viel Sex-Appeal eingesetzt, erst im vorgerückten Alter macht sich Hannelore Elsner einen Namen als hervorragende Charakterdarstellerin – sie dreht unter der ersten Riege deutscher Regisseure zahlreiche anspruchsvolle Kinoproduktionen und zählt heute zu den populärsten Schauspielerinnen des Landes
Hannelore Elsner kommt am 26. Juli 1942 im oberbayerischen Burghausen zur Welt. Als sie acht Jahre alt ist verliert sie ihren Vater, ihr älterer Bruder stirbt in den letzten Kriegstagen bei einem Tieffliegerangriff. Nach dem Abschluss ihrer Schauspielausbildung beginnt sie ihre Karriere am Kurfürstendamm-Theater und am Hebbel Theater in Berlin sowie an den Münchner Kammerspielen.
Ihr Filmdebüt gibt die siebzehnjährige Hannelore Elsner in „Unter fremden Sternen“ (1959) an der Seite von Freddy Quinn. Danach kann man sie in leichten Unterhaltungsfilmen wie in „Zum Teufel mit der Penne“ mit Peter Alexander, „Die Lümmel von der ersten Bank“ mit Hansi Kraus und neben Georg Thomalla, „Hurra, wir sind mal wieder Junggesellen“ sehen. 1962 spielt Hannelore Elsner am Kölner Millowitsch-Theater eine Rolle im Schwank „Tante Jutta aus Kalkutta“ an der Seite von Peter René Körner, Willy Millowitsch und Elsa Scholten.
Ab den sechziger Jahren wirkt Hannelore Elsner in zahlreichen Fernsehserien mit – schon bald werden die jungen deutschen Autorenfilmer auf sie aufmerksam. Sie spielt in „Die Reise nach Wien“ (1973) von Edgar Reitz und in „Berlinger“ (1975) von Alf Brustellin sowie in den Serien „Die schöne Marianne“ (1975), „Die Krimistunde“, „Die Schwarzwaldklinik“ und in der Krimireihe „Tatort“. Für ihre Darstellung der Lea Sommer in „Die Kommissarin“ wird sie 1995 mit dem „Telestar“ ausgezeichnet.
Ihr großes Kino-Comeback und den bislang größten Erfolg ihrer Karriere feiert Hannelore Elsner 1999 in Oskar Roehlers „Die Unberührbare“, in der sie die exzentrische Schriftstellerin Hanna Flanders verkörpert, für die mit dem Untergang der DDR die eigenen Ideale zerbrechen – für ihre großartige Darstellung wird Hannelore Elsner neben zahlreichen weiteren Ehrungen im Jahr 2000 mit dem „Deutschen Filmpreis“ ausgezeichnet. Zwei Jahre später erhält sie einen weiteren Deutschen Filmpreis für Oliver Hirschbiegels „Mein letzter Film“ und 2005 wird sie erneut nominiert für ihre Rolle einer jüdischen Hausfrau in Dani Levys Komödie „Alles auf Zucker“. Für Ihre Rolle in Doris Dörries „Kirschblüten“ (2008) an der Seite von Elmar Wepper erhält Hannelore Elsner eine weitere Nominierung für den „Deutschen Filmpreis“ als „Beste Darstellerin in einer Nebenrolle“. 2011 sieht man sie an der Seite von Juliane Köhler in „Das Blaue vom Himmel“, 2012 in „Wer’s glaubt, wird selig“ neben Christian Ulmen, 2014 in „Alles inklusive“ mit Nadja Uhl und 2014 in „Besser als Nix“.
Hannelore Elsner leiht als Synchronsprecherin Liza Minnelli („Cabaret“) und Fanny Ardant („Acht Frauen“) ihre Stimme. 1997 wird ihr der „Verdienstorden der Bundesrepublik Deutschland“ und 2006 der „Bayerische Fernsehpreis“ fürs Lebenswerk verliehen.
Von 1964 bis 1966 ist Hannelore Elsner mit dem Schauspieler Gerd Vespermann verheiratet. Ab 1973 ist Regisseur Alf Brustellin, der 1981 tödlich verunglückt, ihr Partner. 1993 heiratet sie den Theaterdramaturgen und Verlagsleiter Uwe Carstensen. Die Ehe wird im Jahr 2000 geschieden. Mit dem Regisseur Dieter Wedel hat sie Sohn Dominik.