Hélène Rigoine de Fougerolles naît le 25 février 1973 à Vannes. Issue de la noblesse bretonne, son père, Alain Rigoine de Fougerolles, est représentant en vin et sa mère, Anne Saumay de Laval, est attachée de presse dans le milieu nautique. Ses parents se séparent lorsqu'elle a trois ans, Hélène grandit aux côtés de sa mère et de sa soeur. La famille déménage souvent, elle a 10 ans quand sa mère s'installe pour un temps en Guadeloupe. Mais la petite fille retrouve chaque été la Bretagne, et sa grand-mère maternelle sur l'île de Houat où la famille possède un ancien fort. A 16 ans, elle commence à écumer les castings et tourne quelques publicités. Car elle est peu intéressée par les études, on l'oriente vers un BEP d'esthéticienne. L'adolescente en décide autrement, elle s'envole pour les Etats-Unis avec une amie partie suivre les cours de l'école Lee Strasberg Theatre Institute à New York.
En 1992, elle fait ses débuts dans Collège des coeurs brisés, une sitcom d'AB Production. Le réalisateur Jean-Pierre Mocky repère la ravissante débutante et lui propose son premier petit rôle dans Le mari de Léon en 1993. Elle incarne à nouveau une lycéenne en 1995 dans le Péril Jeune de Cédric Klapisch. Trois ans plus tard, elle obtient son premier rôle important dans Que la lumière soit d'Arthur Joffé et une nomination au César du meilleur espoir féminin pour son interprétation. En 2001, elle décroche le Prix Romy-Schneider pour Va savoir de Jacques Rivette. Mais c'est en 2002 que l'actrice est réellement révélée au grand public avec la comédie Le Raid de Djamel Bensalah. Très à l'aise dans le registre de la comédie, la pétillante actrice enchaîne les rôles (Fanfan la tulipe, Les Aristos, Les dents de la nuit, Tricheuse). Plus discrète sur les plateaux de tournage, elle revient en 2015 sur le devant de la scène avec plusieurs projets; un téléfilm Le secret d'Elise, une pièce de théâtre Un temps de chien, et un long-métrage C'est le métier qui rentre de Diane Kurys.
En 2008, elle publie Lune-Milla Rose et le champignon magique, un conte pour enfants aux éditions Nathan.
Actrice engagée, Hélène de Fougerolles met sa notoriété au service des autres et parraine l'Association Marie Rêves et Espoir, à Angers, qui réalise les rêves d'enfants malades soignés dans les C.H.U de la région des Pays de Loire.
Le 24 février 2021, Hélène de Fougerolles publie T'inquiète pas, maman, ça va aller, chez Fayard, dans lequel l'actrice se livre à coeur ouvert sur l'autisme de sa fille. En novembre 2022, l'actrice est choisie pour remplacer Natacha Lindinger, dans le rôle éponyme de Sam dans la série de TF1.
Côté vie privée, Hélène de Fougerolles a une fille Shana, née en 2003 de son union avec Eric Hubert, un directeur de production, rencontré sur un tournage en 1997. Le couple se marie en 2000, mais divorce quelques années plus tard. Hélène de Fougerolles rencontre ensuite Antoine Arnault, et le couple fait sa première apparition officielle en 2009 avant de se séparer deux ans plus tard. En 2016, elle officialise son couple avec Marc Simoncini. Ils restent ensemble pendant deux ans. Durant l’été 2018, elle annonce, sur son compte Instagram et par le biais d’une vidéo de vacances prise en Espagne, qu’elle met fin à son idylle avec le chef d’entreprise.