Ellen Thesleff föddes i Helsingfors som äldsta dotter av fem syskon. 1872 flyttade familjen norrut, till Kuopio. Hennes far var civilingenjör och en skicklig tecknare som uppmuntrade hennes konstnärliga talang. Hösten 1885 flyttade hon ensam till Helsingfors och började i Adolf von Beckers privata målarskola. Efter två år kom hon in på Finska Konstföreningens Ritskola i Helsingfors. Likt många andra skandinaver studerade hon senare på Académie Colarossi i Paris och påverkades mycket av symboliströrelsen. Thesleff reste även mycket i Italien och där hon inspirerades av det italienska livet och ljuset, intryck som hon införlivade i djärva och nydanande verk. På Världsutställningen i Paris år 1900 deltog hon med fyra målningar och vann en bronsmedalj. Efter Andra världskrigets intåg kunde hon inte längre resa till sitt älskade Italien och hon fick år 1933 en målarateljé i konstnärshemmet Lallukka i Helsingfors där hon gjorde sig hemmastad.

Thesleffs stilutveckling kan indelas i tre distinkta perioder; från ca 1890 till 1905, hade hennes måleri en naturalistisk prägel och bottnar i den rådande vurmen för realismen. Efter sekelskiftet 1900 började hon experimentera sig fram till nya uttrycksformer och kom att inspireras av den franska fauvismen samt av Vasilij Kandinsky. Målningarna är under perioden 1906–1927 mindre naturtrogna och använder sig i större utsträckning av färgen som uttrycksmedel och Thesleff blev därmed den första färgexpressionisten i Finland. En ytterligare tydlig karaktärsförändring i hennes stil skedde kring 1928 då hennes teknik blev ännu lättare och mer experimentell.

Hösten 1952 blev Thesleff påkörd av en spårvagn i Helsingfors och blev konvalescent resten av livet. Olyckan bidrog till att hon senare avled den 12 januari 1954.