Елена Сергеевна Булгакова родилась в Риге 21 октября 1893 года. Отец, Сергей Маркович Нюренберг, был учителем, а мать, Александра Александровна, дочерью священника. У Е.С. Булгаковой была сестра Ольга и два брата – Александр и Константин.
Было в ее радостном детстве что-то очень близкое детству Михаила Булгакова, проходившему, казалось бы, далеко от нее, на юге, где звучали кроме русского языка не латышский и немецкий, а украинский и польский. "...Ты знаешь, он (М.А.Булгаков) очень любил слушать мои рассказы о детстве, о нашей семье".
Елена Сергеевна окончила гимназию в Риге в 1911 году, а в 1915-м семья переехала в Москву. "Я научилась печатать на машинке и стала помогать отцу в его домашней канцелярии, стала печатать его труды по налоговым вопросам", - писала она.
Елена Сергеевна очень любила сестру, всегда мечтала, чтобы та с ней жила. Ольга Сергеевна (сестра Е.С.) была связана с Московским Художественным театром. Скорее всего, именно через сестру у Елены С. и установились контакты с людьми Художественного театра.
В 1929 году Е.С. переехала в квартиру в Большом Ржевском переулке в Москве. Именно здесь она познакомилась с Михаилом Булгаковым. Так Е.С.Булгакова в 1967 году рассказывала о первой встрече с Булгаковым: «Это было в 29-м году в феврале, на масленую. Какие-то знакомые устроили блины. Ни я не хотела идти туда, ни Булгаков, который почему-то решил, что в этот дом он не будет ходить. Но получилось так, что эти люди сумели заинтересовать составом приглашенных и его, и меня. Ну, меня, конечно, его фамилия. В общем, мы встретились и были рядом» . "Это была быстрая, необыкновенно быстрая, во всяком случае с моей стороны, любовь на всю жизнь, – говорила Елена Сергеевна. Но – взрослые, семейные люди – первое время они попытались не поверить в любовь, сами от себя укрывая ее под личиною дружбы" .
3 октября 1932 года Булгаков развелся со своей второй женой, а 4 октября был заключен брак с Е.С. Елена Сергеевна всю себя посвятила мужу и его работе. Она писала под его диктовку, перепечатывала рукописи на машинке, редактировала их, составляла договоры с театрами, вела переговоры с нужными людьми, занималась корреспонденцией. Великой её заслугой является сохранение булгаковского архива: многие рукописи, хранившиеся в единственном экземпляре, она успела перепечатать. Благодаря её невероятной энергии после смерти Булгакова смогли увидеть свет многие до того неизданные его произведения, главным из которых является, конечно, роман « Мастер и Маргарита ».
В письме к брату писателя Николаю Афанасьевичу Булгакову (1898—1966) от 7 сентября 1962 года Елена Сергеевна писала: "Я делаю всё, что только в моих силах, для того, чтобы не ушла ни одна строчка, написанная им, чтобы не осталась неизвестной его необыкновенная личность. <…> Это — цель, смысл моей жизни. Я обещала ему многое перед смертью, и я верю, что я выполню всё".
Помимо работы с творческим наследием Булгакова Елена Сергеевна занималась и переводами (главным образом для того, чтобы зарабатывать на жизнь). Ей принадлежат переводы с французского романов Густава Эмара , Жюля Верна и книги Андре Моруа «Лелия, или Жизнь Жорж Санд».
"Несмотря на всё, несмотря на то, что бывали моменты чёрные, совершенно страшные, не тоски, а ужаса перед неудавшейся литературной жизнью, если вы мне скажете, что у нас, у меня была трагическая жизнь, я вам отвечу: нет! Ни одной секунды. Это была самая светлая жизнь, какую только можно себе выбрать, самая счастливая. Счастливее женщины, какой я тогда была, не было…", — писала Елена Сергеевна в 1950-е годы.
Елена Сергеевна умерла 18 июля 1970 года на 77-м году жизни, пережив троих мужей и старшего сына Евгения.