Por lo que se puede conjeturar, santa Elena nació en Drepano de Bitinia. Probablemente era hija de un posadero. El general romano Constancio Cloro la conoció hacia el año 270 y se casó con ella, a pesar de su humilde origen. Cuando Constancio Cloro fue hecho césar, se divorció de Elena y se casó con Teodora, hijastra del emperador Maximiano. Algunos años antes, en Naissus (Nish, en Servia), Elena había dado a luz a Constantino el Grande, que llegó a amar y venerar profundamente a su madre, a la que le confirió el título de «Nobilissima Femina» (mujer nobilísima) y cambió el nombre de su ciudad natal por el de Helenópolis. Alban Butler afirma: «La tradición unánime de los historiadores británicos sostiene que la santa emperatriz nació en Inglaterra»; pero en realidad, la afirmación tan repetida por los cronistas medievales de que Constancio Cloro se casó con Elena, «quien era hija de Coel de Colchester», carece de fundamento histórico. Probablemente, dicha leyenda, favorecida por ciertos panegíricos de Constantino, se originó en la confusión con otro Constantino y otra Elena, a saber: la Elena inglesa que se casó con Magno Clemente Máximo, quien fue emperador de Inglaterra, Galia y España, de 383 a 388; la pareja tuvo varios hijos, uno de los cuales se llamó Constantino (Custennin). Esta Elena recibió el título de «Luyddog» (hospitalaria). Dicho título empezó, más tarde, a aplicarse también a santa Elena, y un documento del siglo X dice que Constantino era «hijo de Constrancio (sic) y de Elena Luicdauc, la cual partió de Inglaterra en busca de la cruz de Jerusalén y la trasladó de dicha ciudad a Constantinopla». Algunos historiadores suponen que las iglesias dedicadas a Santa Elena en Gales, Cornwall y Devon, derivan su nombre de Elena Luyddog. Otra tradición afirma que santa Elena nació en Tréveris, ciudad que pertenecía también a los dominios de Magno Clemente Máximo.
Constancio Cloro vivió todavía catorce años después de repudiar a santa Elena. A su muerte, ocurrida el año 306, sus tropas, que se hallaban entonces estacionadas en York, proclamaron césar a su hijo Constantino; dieciocho meses más tarde, Constantino fue proclamado emperador. El joven entró a Roma el 28 de octubre de 312, después de la batalla del Puente Milvio. A principios del año siguiente, publicó el Edicto de Milán, por el que toleraba el cristianismo en todo el Imperio. Según se deduce del testimonio de Eusebio, santa Elena se convirtió por entonces al cristianismo, cuando tenía ya cerca de sesenta años, en tanto que Constantino seguiría siendo catecúmeno hasta la hora de su muerte: «Bajo la influencia de su hijo, Elena llegó a ser una cristiana tan fervorosa como si desde la infancia hubiese sido discípula del Salvador». Así pues, aunque conoció a Cristo a una edad tan avanzada, la santa compensó con su fervor y celo su larga temporada de ignorancia y Dios quiso conservarle la vida muchos años para que, con su ejemplo, edificase a la Iglesia que Constantino se esforzaba por exaltar con su autoridad. Rufino califica de incomparables la fe y el celo de la santa, la cual supo comunicar su fervor a los ciudadanos de Roma. Elena asistía a los divinos oficios en las iglesias, vestida con gran sencillez, y ello constituía su mayor placer. Además, empleaba los recursos del Imperio en limosnas generosísimas y era la madre de los indigentes y de los desamparados. Las iglesias que construyó fueron muy numerosas. Cuando Constantino se convirtió en el amo de Oriente, después de su victoria sobre Licinio, en 324, santa Elena fue a Palestina a visitar los lugares que el Señor había santificado con su presencia corporal.
Constantino mandó arrasar la explanada y el templo de Venus que el emperador Adriano había mandado construir sobre el Gólgota y el Santo Sepulcro, respectivamente, y escribió al obispo de Jerusalén, san Macario, para que erigiese una iglesia «digna del sitio más extraordinario del mundo». Santa Elena, que era ya casi octogenaria, se encargó de supervisar la construcción, movida por el deseo de descubrir la cruz en que había muerto el Redentor. Eusebio dice que el motivo del viaje de santa Elena a Jerusalén, fue simplemente agradecer a Dios los favores que había derramado sobre su familia y encomendarse a su protección; pero otros escritores lo atribuyen a ciertas visiones que la santa había tenido en sueños, y san Paulino de Nola afirma que uno de los objetivos de la peregrinación era, precisamente, descubrir los Santos Lugares. En su carta al obispo de Jerusalén, Constantino le mandaba expresamente que hiciese excavaciones en el Calvario para descubrir la cruz del Señor. Hay algunos documentos que relacionan el nombre de santa Elena con el descubrimiento de la Santa Cruz. El primero de esos documentos es un sermón que predicó San Ambrosio el año 395, en el que dice que, cuando la santa descubrió la cruz, «no adoró al madero sino al rey que había muerto en él, llena de un ardiente deseo de tocar la garantía de nuestra inmortalidad». Varios otros escritores de la misma época afirman que santa Elena desempeñó un papel importante en el descubrimiento de la cruz; pero es necesario advertir que San Jerónimo vivía en Belén y no dice una palabra sobre ello (ver más detalles en el artículo dedicado a la fiesta de la Exaltación de la Santa Cruz).
Como quiera que haya sido, santa Elena pasó, ciertamente, sus últimos años en Palestina. Eusebio dice: «Elena iba constantemente a la iglesia, vestida con gran modestia y se colocaba con las otras mujeres. También adornó con ricas decoraciones las iglesias, sin olvidar las capillitas de los pueblos de menor importancia». El mismo autor recuerda que la santa construyó la basílica «Eleona» en el Monte de los Olivos y otra basílica en Belén. Era bondadosa y caritativa con todos, especialmente con las personas devotas, a las que servia respetuosamente a la mesa y les ofrecía agua para el lavamanos. «Aunque era emperatriz del mundo y dueña del Imperio, se consideraba como sierva de los siervos de Dios». Durante sus viajes por el Oriente, santa Elena prodigaba toda clase de favores a las ciudades y a sus habitantes, sobre todo a los soldados, a los pobres y a los que estaban condenados a trabajar en las minas; libró de la opresión y de las cadenas a muchos miserables y devolvió a su patria a muchos desterrados.
El año 330, el emperador Constantino mandó acuñar las últimas monedas con la efigie de Flavia Julia Elena, lo cual nos lleva a suponer que la santa murió en ese año. Probablemente la muerte la sobrecogió en el Oriente, pero su cuerpo fue trasladado a Roma. El Martirologio Romano conmemora a santa Elena el 18 de agosto. En el Oriente se celebra su fiesta el 21 de mayo, junto con la de su hijo Constantino, cuya santidad es más que dudosa. Los bizantinos llaman a santa Elena y a Constantino «los santos, ilustres y grandes emperadores, coronados por Dios e iguales a los Apóstoles».
La principal fuente de información sobre santa Elena es la biografía de Constantino escrita por Eusebio (Vita Constantini), cuyos principales pasajes pueden verse en Acta Sanctorum, agosto, vol. III. Ver también M. Guidi, Un Bios di Constantino (1908). J. Maurice publicó una interesante obrita sobre santa Elena en la colección L´Art et les Saints (1929).