Образцова родилась в 1939 году в Ленинграде, в 1943 году ее эвакуировали вместе с семьей из блокадного города. В 1948—1954 годах пела в детском хоре Ленинградского Дворца пионеров имени Жданова, затем училась в Музыкальной школе имени Чайковского в Таганроге. В 1962 году завоевала первую премию на Всесоюзном конкурсе вокалистов имени Глинки, параллельно училась в консерватории. Еще будучи студенткой, она дебютировала на сцене Большого театра.

В 1975 году Елена Образцова вместе с Большим театром отправилась на гастроли в США. В ходе спектакля "Борис Годунов" Образцову, исполнявшую роль Марины Мнишек, пять раз вызвали на сцену восторженные зрители: спектакль пришлось остановить. Триумф Елены Образцовой в США окончательно утвердил ее в статусе звезды мировой оперы. В 1975 году певица была признана в Испании лучшей исполнительницей партии Кармен в мире.

В ее обширном концертном репертуаре произведения более 100 композиторов XVIII-XX веков: оперная, камерная, кантатно-ораториальная, духовная музыка, русские песни, старинные романсы, классическая оперетта, зонги и джазовые стандарты.

Особенно часто она исполняла сочинения Георгия Свиридова, посвятившего ей вокальный цикл "Десять песен на стихи Александра Блока" и создавшего специально для нее новую редакцию своей поэмы на стихи Сергея Есенина "Отчалившая Русь", изначально написанную для баритона.

Образцова преподавала в Токийской музыкальной академии и многих других академиях по всему миру. Образцова была Почетным членом Пушкинской академии, академиком Русской академии искусствознания и музыкального исполнительства, академиком Академии российского искусства, членом Международного общества друзей Русского музея.