Nata a Grosseto nel gennaio 1935, altera ed elegante, modella affermata ancora prima di compiere vent’anni (era stata scoperta nel ‘51 dallo stilista Roberto Capucci il quale l’aveva notata in una boutique di via Frattina, a Roma, dove lavorava come commessa, l’aveva lanciata nel mondo della moda, facendone un’indossatrice e una modella nota anche all’estero), Elsa Martinelli, magrissima e naturalmente raffinata - in un’epoca di donne giunoniche dall’accento dialettale -, alta un metro e settantasette, voce roca alla Marlene Dietrich e prepotente sex appeal, rappresenta un peculiare tipo di femminilità esclusiva e discreta che a breve la porta a sfilare a lungo in passerella e che a aprirà le porte di Hollywood.

Dopo aver esordito al cinema in ruoli secondari in Se vincessi cento milioni (1953) di Carlo Campogalliani e Carlo Moscovini e ne L’uomo e il diavolo (1954) di Claude Autant-Lara, il grande Kirk Douglas (il quale, nel dicembre 2016,  ha compiuto cento anni)  la nota in una foto sulla copertina di una rivista e la ingaggia per il western Il Cacciatore di indiani (1955) di Andre De Toth, di cui il grande attore americano è protagonista (nel cast, anche un giovane Walter Matthau al suo secondo film) e  produttore.

Sarà Mario Monicelli ad affidarle la parte “sbarazzina” di Donatella (1955), con cui vince l’Orso d’Argento al Festival di Berlino, cui seguiranno La risaia (1956) di Raffaello Matarazzo, La notte brava (1959) di Mauro Bolognini, Un amore a Roma (1960) di Dino Risi, La decima vittima (1965)  di Elio Petri, in cui lavora con Marcello Mastroianni e Ursula Andress, Sette volte donna (1967) di Vittorio De Sica.

Negli Stati Uniti lavora anche in Hatari! (1962) di Howard Hawks, in cui recita con John Wayne, Hardy Kruger e Red Buttons, e ne Il grande safari (1963) di Phil Karlson e Henry Hathaway, in cui recita con Robert Mitchum e Jack Hawkins, e gira numerosi film in Francia, diretta da registi quali André Hunebelle (Il capitano del re - 1960), Roger Vadim (Il sangue e la rosa - 1960) Gerard Oury (La minaccia - 1961), Jean Aurel (La calda pelle - 1965 -, Manon 70 - 1968), Denys de La Patellière (Le meravigliose avventure di Marco Polo - 1965, conosciuto anche con il titolo Lo scacchiere di Dio), Nicolas Gessener (Allarme in cinque banche - 1967), Christian Marquand (Candy e il suo pazzo mondo - 1967), André Cayatte (Katmandu - 1969), Jean Larriaga (L’ultima rapina a Parigi - 1971).

Nel ’62 viene diretta da Orson Welles ne Il processo, tratto dall’omonimo libro di Franz Kafka e in cui lavora con Anthony Perkins (reduce dal successo di Psycho - 1960 - di Alfred Hitchcock) Romy Schneider e con lo stesso O. Welles.

Fra gli altri film ricordiamo 4 ragazze in gamba (1956) di Jack Shear, La mina (1957) di Giuseppe Bennati, Manuela (1957) di Guy Hamilton, Tunisi Top Secret (1959) di Bruno Paolinelli, Costa Azzurra (1959) di Vittorio Sala, I battellieri del Volga (1959) di Viktor Turzanskij, Il carro armato dell’8 settembre (1960) di Gianni Puccini, Pelle viva (1962) di Giuseppe Fina, International Hotel (1963) di Anthony Asquith, in cui lavora con Richard Burton, Da New York: la mafia uccide! (1965) di Raoul Levy, Dossier Marocco 7 (1967) di Gerry O Hara, Qualcuno ha tradito (1967) di Franco Prosperi, Un dollaro per 7 vigliacchi (1968) di Giorgio Gentili, in cui lavora con un giovane Dustin Hoffman ad inizio carriera, L’amica (1969) di Alberto Lattuada, Una sull’altra (1969) di Lucio Fulci, Maldonne (1969) di Sergio Gobbi, Se è martedì deve essere il Belgio (1969) di Mel Stuart, Il garofano rosso (1977) di Luigi Faccini, Sono un fenomeno paranormale (1985) di Sergio Corbucci, Cabiria, Priscilla e le altre (1998) di Fabrizio Celestini.        

A partire dalla metà degli anni Settanta, anche per via dell’avvento di una nuova generazione di attrici dalla bellezza simile alla sua, dirada le sue apparizioni cinematografiche, dedicandosi soprattutto alla televisione e rimanendo al centro di numerosi eventi mondani da jet-set.

Nel ’71 presenta il Festival di Sanremo insieme a Carlo Giuffré.

Nel ’95 pubblica Sono come sono. Dalla dolce vita e ritorno (Rusconi), la sua autobiografia.