Elisabeth wuchs am französisch geprägten Hof des Herzogtums Lothringen in Nancy (Lothringen, heute Frankreich) auf. Die Heirat mit ihrem Cousin Maximilian I. von Bayern (1573–1651), dem ältesten Sohn ihrer mit Wilhelm V. von Bayern (1548–1626) verheirateten Tante Renata von Lothringen (1544–1602), verfestigte die seit 1568 bestehende dynastische Verbindung des Hauses Lothringen mit dem Herzogtum Bayern, durch welche die Wittelsbacher auch mit den Königen von Frankreich, Dänemark, Schottland und Spanien verschwägert waren. Nach dem frühen Tod ihrer Mutter 1575 nahm Elisabeths Großmutter Katharina von Medici (1519–1589) Einfluss auf ihre höfische Erziehung.

Zur ersten Begegnung zwischen Elisabeth und Maximilian kam es im Juni 1593, als dieser sich im Rahmen einer Kavalierstour durch Europa am lothringischen Hof aufhielt. Die Heiratsverhandlungen wurden im Sommer 1594 abgeschlossen; die Prinzessin erhielt eine Mitgift von hunderttausend Goldkronen, Kleidung und Schmuck und verzichtete auf alle Erbansprüche in Lothringen. Am 6. Februar 1595 fand in Nancy die prachtvolle Hochzeit statt; am 12. März trafen die Neuvermählten in Landshut ein, wo sie ein einjähriges Hoflager bezogen, ehe im Frühjahr 1596 die Übersiedlung nach München in die neue Residenz, die Wilhelminische Veste, erfolgte.

Nach der Abdankung Herzog Wilhelms V. zugunsten seines Sohns und dessen Herrschaftsantritt am 4. Februar 1598 fungierte Elisabeth als Herzogin von Bayern. In der Residenz verfügte sie über einen eigenen Wohnbau und besoldete Bedienstete unter der Leitung einer Obersthofmeisterin. Seit 1617 war Philipp Kurtz zu Senftenau (gest. 1639/40) ihr Frauenhofmeister.

Da die Ehe kinderlos blieb, wurde Elisabeth Badekuren und Exorzismen unterzogen; die Kinderlosigkeit schwächte ihre Stellung am Münchner Hof. Zudem stand sie im Schatten ihrer als fromm geltenden Tante Renata, die in München durch ihr karitatives Engagement beliebt war. Auch Elisabeth trat als fromme, mitunter als asketisch beschriebene Herzogin in der Öffentlichkeit auf und führte die wohltätige Arbeit ihrer Tante fort, jedoch ohne eigene Akzente zu setzen. Mit ihrem Ehemann engagierte sie sich v. a. in der katholischen Marienverehrung, die in Wallfahrten zum Ausdruck kam, u. a. 1598 nach Altötting. 1607 stiftete Elisabeth dort „Unserer Lieben Frau“ für eine ewige tägliche Messe 6000 Gulden sowie zwei Messgewänder und zwei kostbare Silberleuchter. Die luxemburgischen Jesuiten Johannes Buslidius (1554–1627) und Adam Contzen (1571–1635) waren ihre Beichtväter am Münchner Hof, 1631 gefolgt von dem Lothringer Johannes Vervaux (1586–1661), der in seinen lateinischen „Annalen des bayerischen Volkes“ (1662/63) auch ihr erster Biograf wurde. Der jesuitische Hofprediger Jeremias Drexel (1581–1636) widmete ihr seinen „Tugendspiegel der Kurfürstin Elisabeth“ (1636).

Maximilian I. bezog Elisabeth nicht in politische Entscheidungen ein und ließ sie auch nicht an Sitzungen des Geheimen Rats teilnehmen wie etwa sein Sohn Ferdinand Maria von Bayern (1636–1679) eine Generation später seine Ehefrau. Der Briefwechsel des Herzogpaars zeugt allerdings von gegenseitiger Wertschätzung und Zuneigung. Mit der Übernahme der pfälzischen Kurfürstenwürde durch Maximilian I. 1623 erhielt Elisabeth auch den Rang einer Kurfürstin.

Nach dem Einfall der Schweden in Bayern während des Dreißigjährigen Kriegs sorgte Elisabeth dafür, dass der Schatz der Altöttinger Kapelle von April bis November 1632 nach Salzburg in Sicherheit gebracht wurde. Im Winter 1634/35 floh das Kurfürstenpaar von München in das Augustiner-Chorherrenstift Ranshofen bei Braunau am Inn, um einer Pestepidemie zu entkommen.

Elisabeths Leichnam wurde 1635 in der Wittelsbacher Gruft der Münchner Hofkirche St. Michael beigesetzt, ihr Herz und ein Teil der Eingeweide auf Maximilians Wunsch in der Altöttinger Gnadenkapelle bestattet, womit die dortige, bis 1954 reichende Tradition der Herzurnenbestattung der Wittelsbacher begründet wurde.