Elle Fanning ist die jüngere Schwester von Dakota Fanning und die zweite Tochter von Joy und Steve Fanning. Ihren Vornamen Mary erhielt sie vom Vater, den weiteren Vornamen Elle von ihrer Mutter.Wegen des anhaltenden Erfolgs ihrer Schwester Dakota bei Castings zog die Mutter mit den Geschwistern nach Los Angeles.
Sie begann mit kleinen Rollen in Filmen und Serien wie z. B. CSI: Miami, Dr. House, Criminal Minds, Für alle Fälle Amy und CSI: NY. Nach dem Umzug nach Los Angeles nahm schließlich auch Elle an Castings teil und bekam erste Filmrollen. Es folgten Filme wie Ich bin Sam (2001), Taken (2002), Der Kindergarten Daddy (2003) und Schweinchen Wilbur und seine Freunde (2006), in denen sie zumeist die jüngere Version ihrer älteren Schwester Dakota spielte.
In der Miniserie Das verschwundene Zimmer, die im Dezember 2006 in den USA ausgestrahlt wurde, spielte sie die Rolle der Anna Miller. In Kinofilmen war sie in Babel sowie in Déjá Vu - Wettlauf gegen die Zeit zu sehen. 2008 spielte sie in Der seltsame Fall des Benjamin Button erneut an der Seite von Cate Blanchett und Brad Pitt. 2007 erhielt sie ihre erste Hauptrolle als Phoebe Lichten in dem Film Phoebe im Wunderland von Daniel Barnz. 2008 wollte sie mit ihrer Schwester Dakota zusammen das Geschwisterpaar in Beim Leben meiner Schwester spielen, aber Dakota wollte sich nicht die Haare abrasieren. 2009 spielte Elle die Hauptrolle in dem 3D-Fantasyfilm Der Nussknacker, für die sie eine Nominierung als beste Hauptdarstellerin bei den Young Artist Awards 2011 erhielt.
2010 wirkte sie an der Seite von Stephen Dorff als dessen Tochter Cleo in Sofia Coppolas Film Somewhere mit. 2011 kam der Film Super 8 von J. J. Abrams, in dem sie als Alice Dainard eine der Hauptrollen spielte, in die Kinos. Der Film bekam überwiegend positive Kritiken und brachte Elle unter anderem eine Nominierung bei den Young Artist Awards 2012 als Beste Hauptdarstellerin und eine als Beste Nachwuchsschauspielerin für den Saturn Award ein. 2014 wirkte sie als Aurora im Fantasyfilm Maleficent - Die dunkle Fee neben Angelina Jolie mit.
2017 wurde sie in die Academy of Motion Picture Arts and Sciences aufgenommen, die jährlich die Oscars vergibt.
2019 wurde Elle in die Wettbewerbsjury des 72. Filmfestivals von Cannes berufen.