Sa carrière commence en 1995. Elle joue notamment Belén dans le film Lucia et le Sexe (Lucía y el sexo) en 2001, puis fait une apparition en tenant un petit rôle, celui d'Ángela en 2002 dans Parle avec elle de Pedro Almodóvar. Elle retrouve le célèbre cinéaste espagnol en 2011 avec le premier rôle féminin de La piel que habito. Son rôle le plus connu est cependant celui du vampire Aleera, épouse de Dracula (Richard Roxburgh), dans le film Van Helsing en 2004.
Elle apparaît également en 2006 au côté de Justin Timberlake dans le clip de SexyBack.
Elena Anaya a déjà joué dans deux productions françaises. D'abord dans Mesrine de Jean-François Richet, sorti en 2008, où elle interprète le rôle de Sofia, la première épouse de Jacques Mesrine (joué par Vincent Cassel). Puis dans À bout portant de Fred Cavayé où elle incarne la compagne enceinte de Gilles Lellouche. Elle a dû apprendre à parler le français pour le besoin de ces films.
Après une enfance passée entre mer et montagne, Elena Anaya, qui n'est pas très intéressée par l'école, souhaite devenir comédienne. À Madrid, elle intègre alors le cours d'interprétation de l'acteur Manuel Moron à la Real Escuela Superior de Arte Dramatico de Madrid (RESAD) tout en passant une audition pour le film de Fernando Leon de Aranoa, Familia. Acceptée pour le rôle, elle entame simultanément les cours de comédie et une carrière professionnelle.
En 2002, elle apparaît successivement dans une comédie dramatique intitulée Lucia et le Sexe (Lucía y el sexo) de Julio Medem, puis dans Parle avec elle de Pedro Almodóvar. Alternant les genres, elle est à l'affiche du film fantastique Van Helsing, qui relate une chasse aux monstres en Transylvanie, et de Fragile, film d'horreur ayant pour cadre un hôpital, avant de revêtir en 2008 les atours d'une dame du Siècle d'Or espagnol dans l'adaptation du roman de Perez-Reverte, Le Capitaine Alatriste. Elena Anaya retrouve ainsi Agustin Diaz Yanes, qui l'avait dirigé dans Sans nouvelles de Dieu, et témoigne de ses talents en tant qu'interprète.
En 2010 dans un film de Julio Medem, Habitación en Roma, elle interprète un duo lesbien torride avec Natasha Yarovenko.