Dementieva jugó y ganó su primer torneo internacional, Les Petit As, en Francia, a la edad de 13 años. En 1997 ingresó entre las mejores 500 jugadoras de la WTA. Se convirtió en profesional en 1998 y alcanzó al Top 100 en el 1999.
Ese año representó a Rusia en la final de la Copa Federación contra los Estados Unidos, obteniendo el único punto de su equipo tras una sorpresiva victoria sobre Venus Williams. 1999 también fue el primer año en el que participó en un torneo de Grand Slam, alcanzando la segunda ronda en el Abierto de Australia y Roland Garros y la tercera en el US Open.
El siguiente año traería nuevos logros, ingresando al Top 20 del ranking, alcanzando la semifinal del Abierto de Estados Unidos (primera jugadora rusa en lograrlo), y obteniendo la medalla de plata en las Olimpiadas de Verano del 2000, Sidney, siendo derrotada 6-2, 6-4 en la final por la norteamericana Venus Williams. Los anteriores logros la hicieron merecedora del título de "Jugadora más Superada del Año" 2000, otorgado anualmente por la WTA.
El año 2001 la vería mantenerse dentro del Top 20 y desplazar a Anna Kournikova como la mejor jugadora de Rusia. El 2002 significaría grandes éxitos en dobles, alcanzando la final del Abierto de Estados Unidos junto con la eslovaca Janette Husarova, y venciendo en el prestigioso WTA Tour Championships.
El año siguiente cementaría su estatus como jugadora de primer nivel. No sólo finalizó el año por primera vez dentro del Top 10, sino que además obtuvo su primer título de la WTA, imponiéndose en el torneo de Amelia Island, tras vencer a las 2 mejores jugadoras del mundo en ese momento, Justin Henin-Hardenne y Lindsay Davenport. Adicionalmente, obtuvo 2 títulos más, venciendo a Chanda Rubin en las finales de Bali y Shanghai. En cuanto a dobles, alcanzó las semifinales del Abierto de Estados Unidos (junto con su compatriota Lina Krasnoroutskaya), derrotando en el camino al poderoso binomio de las hermanas Williams.
Los éxitos cosechados hacían prever un año estelar para Elena en el 2004. Y no defraudaría, alcanzando sus primeras 2 finales de Grand Slam: Roland Garros y el Abierto de Estados Unidos. En París, terminó perdiendo contra su compatriota y amiga de infancia, Anastasia Myskina, en lo que marcaría la primera ocasión de la historia en que 2 jugadoras rusas disputaran una final de Grand Slam; en Estados Unidos no tendría mejor suerte, siendo superada en la final por otra rusa, Svetlana Kuznetsova. No obstante estas derrotas, su cosecha para el año incluiría una victoria (en Hasselt, Bélgica) y dos apariciones más en finales, incluyendo el prestigioso torneo de Miami (su primera final de un torneo "Tier 1").
Tras la buena forma demostrada el año anterior, el 2005 vería una regresión en sus resultados, alcanzando únicamente 2 finales de torneos menores (ambas derrotas), y su mejor resultado en un Grand Slam siendo las semifinales del Abierto de Estados Unidos, donde venció a Lindsey Davenport en 3 sets, previo a sucumbir contra Mary Pierce. Este último partido resultó ser controversial debido a que, tras perder claramente el primer set, la francesa solicitó un tiempo fuera de más de 10 minutos para recibir tratamiento por una aparente lesión. Al reiniciarse las acciones, el ritmo del partido cambió por completo, sin poder Dementieva reencontrar su nivel, mientras Pierce elevaba su juego para acabar llevándose el triunfo.
En dobles tuvo mejor suerte, alcanzando junto con la italiana Flavia Pennetta la final del Abierto de Estados Unidos. Sin embargo, su mayor logro estaría por venir: la Copa Federación. En una final que enfrentaba a Rusia contra el poderoso equipo francés liderado por Amélie Mauresmo y Mary Pierce, Dementieva obtuvo los 3 puntos necesarios para obtener la victoria y alzar la Copa, derrotando en sencillos a ambas estrellas galas, y aliándose en dobles con Dinara Safina para obtener el triunfo decisivo que traería por primera vez la Copa a Rusia.
El año 2006 redituaría mejores resultados. Obtuvo 2 torneos, incluyendo su 1er "Tier 1", el Toray Pan Pacific Open, donde vencería convincentemente (6-2, 6-0) a la exnúmero 1 del mundo, la suiza Martina Hingis, quien posteriormente comentaría, "Si jugara siempre así, sin duda ganaría torneos de Grand Slam".
Su segundo título del año --y sexto de su carrera-- se materializaría en Los Ángeles, en el Abierto JP Morgan Chase, tras truncar en la final las ilusiones de la joven estrella serbia Jelena Jankovic, con marcador de 6-3 4-6 6-4. Pero tal vez aún más significativa fue su victoria en semifinales contra su némesis, la también rusa María Sharapova, a quien no vencía desde el 2003, y quien le había derrotado antes en el año en la final del prestioso torneo Indian Wells.
Adicionalmente a las 3 finales alcanzadas (2 de ellas en eventos "Tier 1"), llegaría por primera vez a cuartos de final en la hierba de Wimbledon (derrotada por Sharapova) y repetiría el logro en el Abierto de Estados Unidos, alcanzando por tercer año consecutivo los cuartos de final, previo a caer ante Jelena Jankovic.
