Su verdadero nombre es Elsa Lafuente Medianu, y nació en Madrid, aunque su madre es rumana. Descubrió la interpretación gracias a su abuelo materno. Estudió periodismo en la Universidad San Pablo CEU de Madrid, mientras lo compaginaba con sus estudios de Arte Dramático. Se formó como actriz en el Teatro Cámara con Ángel Gutiérrez, en el Centro Cultural de Las Rozas, y con Paco Pino. Se dio a conocer en 1997 con un papel en la serie Al salir de clase, y más tarde participó en otras como La vida en el aire o Tio Willy. En 2000 dio el salto a la gran pantalla con películas como El arte de morir, Tatawo y Menos es más. Así como apariciones en series como Hospital Central o Reina de Espadas. En 2001 protagonizó Noche de reyes de Miguel Bardem, y Peor imposible, ¿Qué puede fallar? de David Blanco. Un año después estrenó la comedia El furgón, Atraco a las 3…y media, y el thriller Beyond Re-animator. En 2005 estrenó una de sus películas más taquilleras, Ninette de José Luis Garci. En 2006, interpretó un papel secundario en Serpientes en el avión y Manuela D’Amore. En 2008 participó en Skate or die, película de acción, y un año después, Máncora y Giallo. Intervino en Mr.Nice y Di Di Hollywood. En 2011 estrenó una de las películas de acción más taquilleras, Fast Five, y unos años después participó en Copito de nieve, Where the Road Meets the Sun y Londres: distrito criminal. Consiguió también un papel en la sexta, séptima y octava entrega de The Fast and Furious como Elena Neves.
Gracias a sus interpretaciones, ha sido nominada y premiada en numerosas y prestigiosas galas. Entre ellas, un premio Gredos en 2002, Festival de Cine de Capri en 2010, Top Glamour en 2011 por su carrera internacional, y un premio Yo Dona por su labor profesional en 2013.
Publicó un libro junto a su entrenador personal, Fernando Satorius, titulado Intensidad Max en el que muestra sus rutinas para mantener una vida saludable y en forma.
En su vida privada, la actriz mantuvo una relación de tres años (2006-2009) con el actor Adrien Brody, y en 2010, conoció al actor australiano Chris Hemsworth en unas clases de inglés para mejorar sus respectivos acentos. Ese mismo año, formalizó su relación con Chris Hemsworth con una ceremonia secreta en una isla de Indonesia. La pareja vive en Australia y tiene tres hijos: India Rose Hemsworth de 5 años que nació en Notting Hill (Londres), y dos mellizos, Tristan y Sasha Hemsworth, de 3 años nacidos en el Hospital Cedars-Sinaí de Los Ángeles (California). A principios de 2017, se rumoreó por una posible crisis entre la pareja. Informaciones que fueron desmentidas por los propios protagonistas.
Colabora en la lucha contra el cáncer de mama en la Fundación Sandra Ibarra y en la Fundación de Investigación Oncológica FERO. Gran parte de los beneficios conseguidos por publicidad los destina a la investigación contra el cáncer de mama.
