Elle est née à Paris dans une famille d'artistes : son père Jean-Baptiste Vigée (1725-1786) était un peintre miniaturiste et son oncle Louis Michel van Loo (1707-1771) était un sculpteur. Elle fit ses premiers pas dans l'art en copiant des portraits d'après des tableaux ou des sculptures, ce qui lui a permis de maîtriser rapidement les techniques artistiques.
Elle fut élève de Jean-Marc Nattier (1685-1766) à l'Académie royale de peinture et de sculpture, où elle démontra un talent naturel pour la peinture de portraits. En 1774, sa première grande commission la fit travailler pour Louis XV : elle réalisa son portrait en compagnie d'une de ses maîtresses, Madame du Barry, et elle reçut l'acclimatation à la cour royale.
Lorsque Louis XVI accéda au trône en 1774, Elisabeth Vigée Le Brun devint sa peintre favorite : elle fut appelée à réaliser plus de cinquante portraits du roi et de la reine Marie-Antoinette entre 1778 et 1792. Ses portraits sont connus pour leur délicatesse, leur clarté et leur grâce, ainsi que pour l'attention qu'elle portait à représenter les sentiments des personnes qu'elle peignait.
Lors de la Révolution française, elle fut emprisonnée pour avoir travaillé pour la famille royale, mais parvint à s'enfuir en Italie et en Allemagne. Elle revint finalement en France après la chute de Napoléon Ier en 1815 et continua à peindre jusqu'à sa mort en 1842.
Elle est considérée comme l'une des premières peintres modernes, à la fois par son goût pour les couleurs vives et pour le réalisme dans ses portraits. Elle a eu une influence importante sur la peinture française du XIXe siècle et a inspiré plusieurs générations d'artistes, notamment Marie Bashkirtseff (1858-1884) et Berthe Morisot (1841-1895).