Era figlia di Carlo Maria Buonaparte e di Maria Letizia Ramolino. Suo fratello era Napoleone Bonaparte, che fu imperatore dei Francesi e re d'Italia.

Sposò nella Villa Crivelli a Mombello di Limbiate il 14 giugno 1797, contro il volere del fratello, il capitano Felice Baciocchi, membro della nobiltà corsa. Divenuto imperatore di Francia, Napoleone creò e assegnò a Felice, il 18 marzo 1805, il principato di Lucca e Piombino. L'anno dopo, Napoleone vi unì il ducato di Massa e Carrara.^[1]

Il territorio venne di fatto governato dalla volitiva Elisa più che dal marito. Il 3 marzo 1809 i tre dipartimenti toscani annessi all'impero l'anno precedente vennero affidati ad un unico governo posto in Firenze. A capo di questa struttura politica fu messa la stessa Elisa, cui fu dato il titolo onorifico di granduchessa di Toscana.

In realtà non esisteva un granducato vero e proprio, ma tre dipartimenti effettivamente annessi alla Francia. In ogni caso Lucca rimase uno Stato solo formalmente indipendente: quindi Elisa era al contempo Principessa di Lucca e Piombino e governatrice della Toscana. Questo doppio ruolo politico dimostrava il fatto che Napoleone riconosceva le doti della sorella nel governare con perspicacia e non esitava ad affidarle incarichi delicati.^[2]

Donna molto attiva, seppe amministrare con prudenza e lungimiranza, ma la popolazione dei territori da lei retti, nostalgica e fedele agli aristocratici, non ebbe mai grande simpatia nei suoi confronti, diffidando soprattutto dei suoi sforzi per innovare l'antica repubblica di Lucca.

A Lucca realizzò anche importanti interventi urbanistici, facendo radere al suolo un intero grande isolato (che ospitava tra l'altro la chiesa di San Pietro Maggiore con la veneratissima immagine della Madonna dei miracoli^[3]) per creare una piazza in stile francese su cui si affacciasse il palazzo ducale. Altra iniziativa fu l'acquisto della villa Orsetti, che fu trasformata in residenza dei principi con il nome di Villa Reale di Marlia; qui fu realizzato un parco che conservò però alcune parti dei bellissimi giardini barocchi preesistenti.^[4] Dal 2020 è possibile visitare gli appartamenti in stile impero di Elisa all'interno della Villa Reale, aperti al pubblico grazie ai restauri effettuati dai nuovi proprietari, una coppia di mecenati svizzeri che ha acquisito l'intera proprietà nel 2015.

Durante il dominio Baciocchi-Bonaparte fu emanato, il 24 marzo 1808, il Codice rurale del Principato di Piombino, di notevole rilevanza. Ad Elisa Baciocchi-Bonaparte, principessa di Lucca e Piombino, troviamo dedicati i primi due volumi degli Annali del Museo imperiale di fisica e storia naturale di Firenze, per gli anni 1808 e 1809. Amò le arti e l'architettura, si circondò di una corte sfarzosa e fu amica di Niccolò Paganini. Soggiornava con piacere a Piombino per il clima mite e fece costruire una piccola "reggia" nella cittadella sul mare, al posto degli edifici dei principi Boncompagni Ludovisi.^[5] Rimase famoso il suo rientro nella città di Lucca, che aveva chiuso le porte alle acque dell'inondazione provocata dai rami del fiume Auser/Serchio il 18 novembre 1812: venne issata con un bilanciere sulle mura, rimanendo sbarrata ogni porta. ^[6]

Ottenuto il governo della Toscana, Elisa risiedette di preferenza in Firenze, ma continuò a governare Lucca. Dopo la caduta di Napoleone, nel 1814, cercò un abboccamento con il comandante delle truppe britanniche Lord William Bentinck per dissuaderlo dall'attaccare lo Stato di Lucca. Gli eserciti anglo-siculi, sbarcati a Livorno, si mossero però celermente verso i confini meridionali del principato ed Elisa dovette fuggire, pur essendo in stato di gravidanza. Fu per un periodo prigioniera nella fortezza dello Spielberg, poi si ritirò, prima a Bologna, quindi a Villa Vicentina, non lontano da Gorizia, ove morì di cancro.

È stata la prima dei fratelli Bonaparte a morire. Fu sepolta nella basilica di San Petronio a Bologna, dove ancora riposa accanto al marito.^[7]