Figlia di Enrico IV di Francia e di Maria de'Medici, nacque a Fontainebleau il 22 novembre 1602 ed ebbe per nascita il titolo di principessa di Francia.
Fu destinata a sposare il principe Vittorio Emanuele di Savoia ma dopo la morte del padre, che fu assassinato nel 1610, la madre assunse la reggenza per Luigi XIII e annullò il fidanzamento per farle sposare Filippo principe delle Asturie e futuro re di Spagna combinando inoltre il matrimonio di Luigi con Anna infanta di Spagna.
Elisabetta e Luigi partirono per la Spagna nell'agosto 1615 ma durante il viaggio Elisabetta contrasse il vaiolo e le sue nozze per procura furono rimandate fino a ottobre, dopo la sua guarigione.
Il 25 novembre 1615 fu finalmente celebrata a Burgos la cerimonia religiosa del matrimonio ma per i primi tempi gli sposi vennero tenuti separati perché Filippo aveva solo dieci anni.
Nel 1621 Elisabetta, che aveva cambiato il proprio nome nel corrispondente spagnolo Isabella, rimase incinta per la prima volta ma la figlia morì appena nata, nello stesso anno morì il suocero Filippo III e suo marito Filippo IV fu incoronato re di Spagna.
Pur essendo divenuta regina, Elisabetta si tenne a lungo fuori dalla vita politica del regno ma il suo atteggiamento cambiò quando nel 1635 la Francia entrò in guerra contro la Spagna. Comportandosi lealmente nei confronti del marito, Elisabetta lo aiutò a reclutare milizie durante le rivolte portoghese e catalana. Giocò un ruolo significativo nell'allontanamento del conte-duca di Olivares dal governo.
Elisabetta morì di parto il 6 ottobre 1644, Filippo IV si risposò nel 1649 con Marianna d'Austria.
Aveva avuto numerosi aborti e nascite non vitali probabilmente a causa della malattia venerea che il marito le aveva trasmesso. Giunsero all'età adulta solo Carlo Baltassarre e Maria Teresa che fu regina di Francia.