Elsa Martinelli nasceu em 30 de janeiro de 1935 em Toscana. Ainda jovem mudou-se para Roma, onde foi descoberta por Roberto Capucci. A partir daí se tornou uma modelo de sucesso.
Partindo para os Estados Unidos, conseguiu passar em alguns testes e estreou no cinema. Ela apareceu ao lado de Kirk Douglas em A um Passo da Morte/The Indian Fighter (1954), e dois anos depois recebeu o Urso de Prata de melhor atriz por Donatella (1956). Outras filmes importantes foram Hatari (1952), O Processo (1962) e Rosas de Sangue (1960).
A atriz foi casada duas vezes, a primeira com Franco Mancinelli (com quem teve sua única filha Cristina) e a segunda com o fotógrafo Willy Rizzo.
A atriz faleceu de câncer em 8 de julho de 2017, aos 82 anos.
