Ellen Thesleff vient au monde dans une ambiance qui favorise ses aspirations artistiques, son père est peintre amateur et l’ensemble de la famille pratique la musique. Elle passe sa jeunesse à Kuopio, ville universitaire située à 400 kilomètres au nord-est d’Helsinki, chante, joue du piano. Après avoir quitté Kuopio pour Helsinki, elle s’inscrit, à l’âge de seize ans, à l’académie privée de peinture dirigée par Adolf von Becker, fréquentée entre autres par Helene Schjerfbeck et Akseli Gallen-Kallela. En 1888, elle continue son apprentissage à l’Académie des beaux-arts d’Helsinki, auprès de Gunnar Berndtson.
Comme nombre de ses compatriotes, E. Thesleff décide de rejoindre Paris afin de poursuivre sa formation dans une des académies libres qui attirent les jeunes artistes étrangères, dont beaucoup viennent des pays du nord de l’Europe. Elle s’y installe en 1891, choisit l’académie Colarossi où elle suit les cours de Gustave Courtois et Pascal Dagnan-Bouveret. Elle effectue ensuite quelques séjours en Italie, notamment à Florence, s’intéressant particulièrement aux artistes de la première Renaissance. Au cours de l’un de ses séjours en Italie, E. Thesleff rencontre Gordon Craig qui l’initie à la technique de la gravure sur bois.

Ses autres influences sont à chercher du côté du symbolisme, le peintre français Puvis de Chavannes notamment, et de l’impressionnisme. Elle participe, aux côtés de Willy Finch et Magnus Enckell, entre autres, à la création du groupe Septem qui introduit en Finlande les principes de l’impressionnisme. Ses principaux thèmes sont les portraits, dont celui de sa sœur (Thyra Elisabeth, 1892), qui évoque ceux du peintre français Eugène Carrière, et les paysages.
Elle voyage beaucoup, participe à de nombreuses expositions, à Florence, Moscou, Paris, Stockholm, et Saint-Pétersbourg – elle reçoit une médaille de bronze à l’Exposition universelle de 1900. En Finlande, elle passe l’essentiel de son temps dans la propriété acquise par sa famille à Murole, près de Ruovesi.
L’artiste, qui ne s’est jamais mariée, ne cesse de produire jusqu’à la fin de sa vie. Elle participe en 1944 à l’exposition Finsk Nutidskonst, 1914-1944, organisée par l’Association finlandaise d’art contemporain, et est élue membre d’honneur de la Société des artistes de Finlande. En 1951, elle reçoit la médaille Pro Finlandia, récompense de l’ordre du Lion de Finlande décernée par le président de la République aux artistes finlandais depuis l’année 1945. Aujourd’hui, les œuvres d’E. Thesleff sont conservées essentiellement au musée Ateneum d’Helsinki, qui lui a consacré une exposition en 1998, et au musée de Kuopio.