Изначально носила имя Лусик Алиханова. Отец, армянин Алиханян Геворк Саркисович (по другим данным Кочаров (Кочарян) Левон Саркисович, также этнический армянин), работник Коминтерна, расстрелян 13 февраля 1938 года. Мать, еврейка Боннэр Руфь Григорьевна, коммунистка, арестована 10 декабря 1937 года, а 22 марта 1938 года приговорена к 8-ми годам ссылки. Родители Елены Боннэр были реабилитированы в 1954 году. После ареста обоих родителей в 1937 году переехала в Ленинград. Посещала литературный кружок при Институте истории искусств. В 1940 году окончила школу и поступила на вечернее отделение факультета русского языка и литературы Ленинградского педагогического института им. А. И. Герцена. В годы Великой Отечественной войны мобилизована в Красную Армию, работала, по ее словам, "помощником политрука" в санитарной "летучке", перевозивших раненых и эвакуированных от Ладоги до Вологды. В результате налета авиации получила тяжёлое ранение и контузию, находилась на излечении в госпиталях Вологды и Свердловска. По протекции снова была взята в санитарный поезд, где работала сначала обычной медсестрой, а позднее с 1943 старшей медсестрой в военно-санитарном поезде № 122. В 1971 году была признана инвалидом Великой Отечественной войны второй группы. С 1947 по 1953 год Боннэр обучалась в 1-м Ленинградском медицинском институте. После учёбы работала участковым врачом, затем врачом-педиатром родильного дома, преподавала детские болезни. Отличник здравоохранения СССР. У Боннэр двое детей — дочь Татьяна (1950) и сын Алексей (1956). С их отцом, Семёновым Иваном Васильевичем, в разводе с 1965 года. В 1965, после XXII съезда партии, вступила в КПСС (кандидат с 1964 года). Однако после «Пражской весны» 1968 года сочла свою позицию неправильной и в 1972 году вышла из КПСС в связи со своими убеждениями. В 1972 году вышла замуж за академика Сахарова. Представляла его в 1975 на церемонии вручения Нобелевской премии в Осло. Вместе с Сахаровым поехала в ссылку в город Горький (1980 г.). С момента активного участия Елены Боннэр в правозащитной деятельности она подвергалась многочисленным обыскам и задержаниям, её часто шантажировали. Дочь и сын были исключены из ВУЗов и в конце семидесятых годов были вынуждены эмигрировать. Невесте сына Алексеевой было отказано в разрешении выехать к нему, что стало причиной первой голодовки супругов Сахаровых в Горьком (22 ноября — 9 декабря 1981 года). Голодовка увенчалась успехом: Е. Алексееву выпустили в США. По мнению английского журналиста Т. де Ваала, именно благодаря Елене Боннэр академик Сахаров на начальном этапе Карабахского конфликта занимал позицию поддержки требований карабахских армян.
