Елена Сергеевна родилась 21 октября (2 ноября) 1893 года в Риге. Её отец, крещёный еврей Сергей Маркович Нюренберг (1864—1933) (эту фамилию она чаще писала как Нюрнберг), был учителем, потом податным инспектором, журналистом, печатался в рижских газетах. Мать, Александра Александровна, урожденная Горская (1864—1956), была дочерью православного священника. У Елены Сергеевны была сестра Ольга (1891—1948) и двое братьев — Александр (1890—1964) и Константин (1895—1944).
В 1902—1909 Елена Сергеевна обучалась в Рижской Ломоносовской женской гимназии, которую покинула по настоянию родителей не закончив. Впоследствии занималась самообразованием.
В 1912 к 19-летней Елене посватался армейский офицер, поручик Бокшанский. Она уговорила его жениться на её старшей сестре Ольге.
В 1915 Елена и Ольга пробуют устроиться на работу в МХАТ. В результате в театре остается Ольга, а Елена нанимается в РОСТА и затем переводится в секретариат газеты «Известия».
В декабре 1918 Елена Сергеевна вступает в брак с Юрием (Георгием) Мамонтовичем Неёловым, сыном известного трагического актёра (а впоследствии не менее известного анархиста) Мамонта Дальского (1865—1918). Юрий Неёлов — военный офицер, в 1919 он поступает в 16-ю армию, действующую в составе Западного фронта РККА, где несёт обязанности секретаря (адъютанта) командарма Н. В. Сологуба.
Тогда и состоялось знакомство адъютанта Неёлова и его жены Елены Сергеевны с Евгением Александровичем Шиловским, который исполнял обязанности начальника штаба той же 16-й армии. Примерно через год приказом по штабу 16-й армии от 27 сентября 1920 года Юрий Неёлов был откомандирован в распоряжение начальника штаба Западного фронта, а в декабре того же года переведён на Южный фронт. Его брак с Еленой Сергеевной был расторгнут, и осенью 1921 она становится женой Е. А. Шиловского. Вскоре у них рождается сын Евгений (1921—1957), а в 1926 году — Сергей (1926—1975).
Несмотря на блестящее положение жены крупного советского военачальника, Елена Сергеевна не была удовлетворена своей жизнью. В 1923 году в письме сестре Ольге она признавалась: «Иногда на меня находит такое настроение, что я не знаю, что со мной делается, я чувствую, что такая тихая семейная жизнь совсем не по мне. Ничего меня дома не интересует, мне хочется жизни, я не знаю, куда мне бежать, но очень хочется (…). Во мне просыпается моё прежнее „я“ с любовью к жизни, к шуму, к людям, к встречам. (…) Я остаюсь одна со своими мыслями, выдумками, фантазиями, неистраченными силами. И я или (в плохом настроении) сажусь на диван и думаю, думаю без конца, или — когда солнце светит на улице и в моей душе — брожу одна по улицам».
28 февраля 1929 года, на масленицу, в московском доме художников Моисеенко, Елена Сергеевна познакомилась с уже известным тогда драматургом Михаилом Афанасьевичем Булгаковым. Вот как она описывала это знакомство: «Это было в 29-м году в феврале, на масляную. Какие-то знакомые устроили блины. Ни я не хотела идти туда, ни Булгаков, который почему-то решил, что в этот дом он не будет ходить. Но получилось так, что эти люди сумели заинтересовать составом приглашенных и его, и меня. Ну, меня, конечно, его фамилия… В общем, мы встретились и были рядом. Это была быстрая, необычайно быстрая, во всяком случае, с моей стороны, любовь на всю жизнь».
В феврале 1961 в письме к брату Елена Сергеевна добавляет такую интересную подробность: «На днях будет ещё один 32-летний юбилей — день моего знакомства с Мишей. Это было на масленой, у одних общих знакомых. (…) Сидели мы рядом, (…) у меня развязались какие-то завязочки на рукаве, (…) я сказала, чтобы он завязал мне. И он потом уверял всегда, что тут и было колдовство, тут-то я его и привязала на всю жизнь. (…)
Тут же мы условились идти на следующий день на лыжах. И пошло. После лыж — генеральная „Блокады“, после этого — актёрский клуб, где он играл с Маяковским на биллиарде… Словом, мы встречались каждый день и, наконец, я взмолилась и сказала, что никуда не пойду, хочу выспаться, и чтобы Миша не звонил мне сегодня. И легла рано, чуть ли не в 9 часов. Ночью (было около трёх, как оказалось потом) Оленька, которая всего этого не одобряла, конечно, разбудила меня: иди, тебя твой Булгаков зовёт к телефону. (…) Я подошла. „Оденьтесь и выйдите на крыльцо“, — загадочно сказал Миша и, не объясняя ничего, только повторял эти слова. Жил он в это время на Бол. Пироговской, а мы на Бол. Садовой, угол Мал. Бронной, в особнячке, видевшем Наполеона, с каминами, с кухней внизу, с круглыми окнами, затянутыми сиянием, словом, дело не в сиянии, а в том, что далеко друг от друга. А он повторяет — выходите на крыльцо. Под Оленькино ворчание я оделась (…) и вышла на крылечко. Луна светит страшно ярко, Миша белый в её свете стоит у крыльца. Взял под руку и на все мои вопросы и смех — прикладывает палец ко рту и молчит… Ведёт через улицу, приводит на Патриаршие пруды, доводит до одного дерева и говорит, показывая на скамейку: здесь они увидели его в первый раз. И опять — палец у рта, опять молчание… Потом пришла весна, за ней лето, я поехала в Ессентуки на месяц. Получала письма от Миши, в одном была засохшая роза и вместо фотографии — только глаза его, вырезанные из карточки… С осени 29 г, когда я вернулась, мы стали ходить с ним в Ленинскую библиотеку, он в это время писал книгу (…).»
В октябре 1968 года Елена Сергеевна рассказывала биографу Булгакова Мариэтте Омаровне Чудаковой: «Летом 1929 года я уехала лечиться в Ессентуки. Михаил Афанасьевич писал мне туда прекрасные письма, посылал лепестки красных роз; но я должна была уничтожать тогда все эти письма, я не могла их хранить. В одном из писем было сказано: „Я приготовил Вам подарок, достойный Вас…“ Когда я вернулась в Москву, он протянул мне эту тетрадку…». То был неоконченный роман «Тайному другу».
Их отношения развивались стремительно. Елена Сергеевна часто бывала в доме Булгаковых, подружилась со второй женой Михаила Афанасьевича Любовью Евгеньевной Белозерской. В марте 1930 г. Елена Сергеевна, «несмотря на жестокое противодействие Шиловского», помогала Булгакову печатать и разносить по адресам знаменитое письмо Правительству СССР.
В конце 1930 или в начале 1931 муж Елены Сергеевны Евгений Александрович Шиловский узнал о её любовной связи с Булгаковым. 5 февраля 1931 на последнем листе романа «Белая гвардия» Михаил Афанасьевич делает запись: «Справка. Крепостное право было уничтожено в … году». Считается, что именно в этот день состоялся тяжёлый разговор его с Шиловским, когда Булгаков дал обещание больше не видеться с Еленой Сергеевной. Полтора года спустя он приписал к той строке: «Несчастье случилось 25.II.1931» — день их последней, как они тогда думали, встречи с Еленой Сергеевной.
Они не виделись 15 месяцев. В июне 1932 г. Булгаков и Елена Сергеевна встретились в ресторане «Метрополь» при посредстве Ф. Н. Михальского. Оба поняли, что продолжают любить друг друга.
Елена Сергеевна уехала с детьми в Лебедянь и здесь написала письмо мужу с просьбой «отпустить» её. Евгений Александрович писал в ответ, что отпускает: «Я относился к тебе как к ребёнку, был неправ…» Сохранился текст письма Булгакова Шиловскому (неизвестно, было ли отправлено это письмо): «Дорогой Евгений Александрович, я виделся с Еленой Сергеевной по её вызову и мы объяснились с нею. Мы любим друг друга так же, как любили раньше. И мы хотим по…». В письме Елены Сергеевны мужу в Сочи Булгаков сделал приписку: «Дорогой Евгений Александрович, пройдите мимо нашего счастья…» Шиловский отвечал: «Михаил Афанасьевич, то, что я делаю, я делаю не для Вас, а для Елены Сергеевны».
По вызову Шиловского Булгаков пришёл к нему в дом для последнего разговора; Елене Сергеевне не было позволено при нём присутствовать. Позже она рассказывала М. О. Чудаковой, что Шиловский во время разговора схватил пистолет. Булгаков сказал: «Не будете же Вы стрелять в безоружного? Дуэль — пожалуйста…»
Разрыв Елены Сергеевны с мужем состоялся. Весьма болезненным и тяжёлым был «раздел» детей — старший, 10-летний Евгений, остался с отцом, младший, 5-летний Серёжа, уходил вместе с матерью в дом Булгакова на Большую Пироговскую.
3 сентября 1932 года Евгений Александрович написал родителям Елены Сергеевны в Ригу: «Дорогие Александра Александровна и Сергей Маркович! Когда Вы получите это письмо, мы с Еленой Сергеевной уже не будем мужем и женой. Мне хочется, чтобы Вы правильно поняли то, что произошло. Я ни в чём не обвиняю Елену Сергеевну и считаю, что она поступила правильно и честно. Наш брак, столь счастливый в прошлом, пришёл к своему естественному концу. Мы исчерпали друг друга, каждый давая другому то, на что он был способен, и в дальнейшем (даже если бы не разыгралась вся эта история) была бы монотонная совместная жизнь больше по привычке, чем по действительному взаимному влечению к её продолжению. Раз у Люси родилось серьёзное и глубокое чувство к другому человеку, — она поступила правильно, что не пожертвовала им.
Мы хорошо прожили целый ряд лет и были очень счастливы. Я бесконечно благодарен Люси за то огромное счастье и радость жизни, которые она мне дала в своё время. Я сохраняю самые лучшие и светлые чувства к ней и к нашему общему прошлому. Мы расстаёмся друзьями. Вам же я хочу сказать на прощанье, что я искренне и горячо любил Вас, как родителей Люси, которая перестала быть моей женой, но осталась близким и дорогим мне человеком. Любящий вас Женя Большой».
3 октября 1932 года Булгаков развёлся с Любовью Евгеньевной Белозерской, а 4 октября был заключён его брак с Еленой Сергеевной.
Интересная вещь: первая жена Михаила Афанасьевича Татьяна Николаевна Лаппа-Кисельгоф рассказывала, что Булгаков не раз говорил ей: «Я должен жениться три раза!». Будто бы это посоветовал ему А. Н. Толстой, считавший троекратный брак ключом к литературному успеху. Елене Сергеевне вспоминалось другое: якобы ещё в Киеве ему нагадала гадалка жениться 3 раза. Ему было весело думать, что вот — гаданье исполняется. Как бы там ни было, оба считали свой союз предрешённым.
14 марта 1933 года Булгаков передал Елене доверенность на заключение договоров с издательствами и театрами по поводу своих произведений, а также на получение авторских гонораров. Елена Сергеевна печатала под диктовку все произведения писателя 30-х годов.
Спустя год после заключения брака Елена Сергеевна по просьбе мужа начала дневник, который вела в течение 7 лет — до последних дней жизни Михаила Афанасьевича. При чтении дневника не может не поражать один факт — в совместной жизни Елены Сергеевны и Булгакова не было ни одной ссоры. Удивительно, если учесть, как тяжело складывались порой обстоятельства. Они действительно были созданы друг для друга: в Елене Сергеевне писатель обрёл не только настоящего друга и возлюбленную, но и свою музу, талантливого (как сейчас бы сказали) менеджера, администратора, литературного секретаря и биографа, преданного и неутомимого сотрудника.
Елена Сергеевна всю себя посвятила мужу и его работе. Она писала под его диктовку, перепечатывала рукописи на машинке, редактировала их, составляла договоры с театрами, вела переговоры с нужными людьми, занималась корреспонденцией. Великой её заслугой является сохранение булгаковского архива — многие рукописи, хранившиеся в одном-единственном экземпляре, она успела перепечатать. Благодаря её невероятной энергии после смерти Михаила Афанасьевича смогли увидеть свет многие до того неизданные его произведения — главным из которых является, конечно, роман «Мастер и Маргарита».
В 1940 году забрала с кладбища Данилова монастыря камень «голгофа», лежавший на могиле Н.Гоголя и оставшийся здесь после перезахоронения Гоголя на Новодевичьем кладбище. Этот камень она установила на могиле мужа на том же Новодевичьем кладбище.
В письме к брату писателя Николаю Афанасьевичу Булгакову (1898—1966) от 7 сентября 1962 Елена Сергеевна писала: «Я делаю всё, что только в моих силах, для того, чтобы не ушла ни одна строчка, написанная им, чтобы не осталась неизвестной его необыкновенная личность. (…) Это — цель, смысл моей жизни. Я обещала ему многое перед смертью, и я верю, что я выполню всё».
Помимо работы с творческим наследием Булгакова Елена Сергеевна занималась и переводами (главным образом, конечно, для того, чтобы хоть как-то заработать себе на жизнь). Ей принадлежат переводы с французского романов Густава Эмара, Жюля Верна и книги Андре Моруа «Лелия, или Жизнь Жорж Санд».
Елена Сергеевна умерла 18 июля 1970 года на 77-м году жизни, пережив всех троих своих мужей и старшего сына Евгения. Похоронена на Новодевичьем кладбище рядом с мужем под гоголевской «голгофой».
«Несмотря на всё, несмотря на то, что бывали моменты чёрные, — писала Елена Сергеевна в 1950-е годы, — совершенно страшные, не тоски, а ужаса перед неудавшейся литературной жизнью, если вы мне скажете, что у нас, у меня была трагическая жизнь, я вам отвечу: нет! Ни одной секунды. Это была самая светлая жизнь, какую только можно себе выбрать, самая счастливая. Счастливее женщины, какой я тогда была, не было…».
Составленный Е. С. Булгаковой в 1967 году вместе с С. А. Ляндресом сборник «Воспоминания о Михаиле Булгакове» увидел свет уже после смерти обоих авторов в издательстве «Советский писатель» в 1988 году, в Перестройку.