Mary Elle Fanning nasce nel 1998 in Georgia, figlia di una tennista e di un padre ex-giocatore di baseball. E' la precoce carriera di sua sorella Dakota Fanning (di quattro anni più grande) a far sbocciare la sua: già a tre anni infatti interpreta la versione più giovane del personaggio di Dakota in Mi chiamo Sam (2004) con Sean Penn. Nello stesso anno, stupisce gli autori del dramma The Door in the Floor con Kim Basinger e Jeff Bridges: si pensava di cercare due sorelle gemelle per il suo ruolo, per non affaticare una bambina così piccola, ma Elle già regge il set. Nel 2006 è la figlia di Cate Blanchett e Brad Pitt in Babel, ma le loro strade s'incroceranno anche in Il curioso caso di Benjamin Button (2008), dove Elle incarnerà il personaggio della Blanchett da giovane.
Nel 2007 e nel 2008, quando non ha nemmeno dieci anni, il suo talento appare evidente a tutti evidente nel dramma familiare Reservation Road e nel curioso Phoebe in Wonderland: la Phoebe del titolo è una bambina malata di sindrome di Tourette. E' un crescendo che la porta sotto i riflettori prima del Somewhere di Sofia Coppola (2010, il suo pattinaggio artistico è una delle scene più delicate del film) e in seguito in Super 8 di J. J. Abrams (2011, con un monologo che lascia allibiti i suoi giovani amici aspiranti cineasti).
A dispetto di qualche incursione nei blockbuster, come con Angelina Jolie nel Maleficent (2014) disneyano, Elle Fanning è legata al circuito del cinema indipendente: appartengono a pieno titolo a questa categoria Ginger & Rosa (2012) di Sally Potter, Low Down e la fantascienza distopica di The Young Ones (2014). Nel 2015 è apparsa nei panni di Nikola, figlia di Dalton Trumbo, nel Trumbo con Bryan Cranston. Il 2016 la vede modella travolta da un mondo glamour, surreale e disturbante in The Neon Demon di Nicolas Winding Refn.