Елена родилась 15 ноября 1850 г. в Санкт-Петербурге, в семье статского советника Дмитрия Поленова, любителя археологии и библиографии и его супруги Марии (Воейковой), увлекающейся живописью и написанием детских рассказов.
Когда дети, а их в семье было четверо, были еще маленькими, Мария Алексеевна задумалась о развитии их талантов. Семья была состоятельной и для детей были наняты преподаватели по некоторым дисциплинам. Уроки живописи вел студент Академии художеств Павел Чистяков.
Историю, по своей собственной методике, рассказывала бабушка, Вера Николаевна. Например, для запоминания исторической роли князей, она просила внуков нарисовать генеалогическое древо и имена князей раскрашивать разным цветом. Имя храброго князя обводилось красным карандашом, доброго — золотистым, злого — черным.
Вера Николаевна познакомилась с русскими сказаниями и народными песнями в семье Гавриила Державина, которая взяла ее на воспитание, когда девочка осталась сиротой. Державин увлекался народными промыслами, хотя многие образованные люди в России считали это искусство вульгарным, не заслуживающим внимания.
Талантливый, хотя и молодой. Петр Чистяков почти сразу разглядел в девочке художественный дар и порекомендовал родителям дать ей специальное образование. Старший брат Елены, Василий, уже был студентом Академию художеств, но девушек туда не принимали. 14-летняя Елена поступила в рисовальную школу в класс Ивана Николаевича Крамского. Через пять лет родители отправили Елену и Веру на учебу в Париж, в школу Шарля Шаплена.
Вернувшись домой, Елена еще долгое время работала в мастерской Чистякова. Она писала акварели, где можно было увидеть красоту скромных полевых цветов, затенённых опушкой леса. Эти прелестные пейзажи покорили сердце коллекционера и мецената Павла Михайловича Третьякова. Он начал приобретать эти акварели, а затем на работы Поленовой обращают внимание и критики, которые окрестили художницу «певицей неяркой русской природы».
Елена с детства любила народное искусство. Часто посещая Мамонтовых, она с удовольствием общалась с Виктором Михайловичем Васнецовым и Елизаветой Мамонтовой, супругой Саввы Мамонтова, почитательницей декоративно-прикладного искусства.
Васнецов, певец Древней Руси, предложил Поленовой подумать о том, что дети в основном читают сказки зарубежных авторов. Они не знают, как выглядят в русских сказаниях Баба-Яга и ее избушка на курьих ножках, но могут представить пряничный домик колдуньи, которая пыталась съесть Ганса и Гретель.
Елена начала создавать иллюстрации к сказкам, собранным фольклористом Александром Николаевичем Афанасьевым. Многие сказки она давно знала, рассказанных бабушкой немного в другой интерпретации. Поэтому в иллюстрациях иногда можно заметить детали, которых нет в тексте сказок. Последователи Поленовой часто брали ее рисунки за образец.
Елена становится основоположником стиля «русский модерн». В этом стиле она занималась проектированием мебели, росписью посуды, созданием дизайна. Она рисовала невероятно быстро, придумывала в процессе, а иногда брала рисунки из своих ярких сновидений. У Елены была синестезия, она путала чувства. Краски и узоры она слышала, как мелодию. Слушая народные песни, она видела орнамент и спешно делала зарисовки.
