El nacimiento de una segunda hija fue una feliz noticia para su padre, heredero al trono ruso que en aquel momento ocupaba Catalina la Grande. Se dijo que al ser una niña tan hermosa, su abuela la llamaba Elena de Troya. Elena fue educada en la privacidad del hogar, y en sus primeros años su educación estuvo supervisada por su abuela paterna.
Como cualquier otra princesa de su época, la educación de la gran duquesa Elena se centró principalmente en el arte, la literatura y la música. De entre todos sus hermanos, Elena siempre estuvo más unida a su hermana mayor, Alejandra, cuya forma de vida era muy parecida a la de Elena.
Elena se trasladó poco después a la ciudad germana de Schwerin con su marido. Allí se encontró en una nueva corte, muy diferente a la opulencia de San Petersburgo. A pesar de ello, fue muy feliz en su vida matrimonial y poco después de la boda alumbró un niño: en septiembre de 1800 nació su primer hijo, el príncipe Pablo Federico. El año 1801 fue especialmente duro para Elena, pues con pocos días de diferencia perdió a dos de sus familiares más queridos: el 16 de marzo moría en Buda su hermana Alejandra tras dar a luz a una niña que nació muerta. Sólo ocho días después, su padre, el zar Pablo, fue asesinado tras un golpe de Estado, probablemente dirigido por su propio hijo y heredero, Alejandro. Al año siguiente Elena quedó embarazada de nuevo, y en marzo de 1803 tuvo una hija, a la que se llamó María en honor a la emperatriz viuda de Rusia.
En septiembre de 1803, Elena se puso gravemente enferma y murió repentinamente el día 24 de ese mes, a los 18 años. Fue enterrada con gran pesar en el Mausoleo Elena Pávlovna, llamado así en su memoria, en Ludwigslust. Varios miembros de la dinastía de Mecklemburgo-Schwerin, incluida la que se convertiría en la segunda esposa de su marido, están enterrados allí.
El viudo de Elena, Federico Luis, volvió a casarse en 1810 y a enviudar en 1816. En 1818, se casó con una princesa de Hesse, pero murió al año siguiente. No sobrevivió a su padre, así que nunca se convirtió en gran duque, y este fue sucedido por el hijo que tuvo con Elena, Pablo Federico, en 1837.
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