Née dans une famille de condition modeste, en Asie Mineure, vers 248, Hélène travaillait dans une auberge. Un tribun, originaire d'Illyrie, nommé Constance, fut attiré par les qualités de la jeune fille et l'épousa. Hélène accompagna son mari à toutes les étapes de sa carrière militaire, en Allemagne, en Angleterre … La jeune Constantin naquit de leur union.

En 293, Constance devint César en Gaule, en Bretagne et en Espagne. Il fut alors contraint, par la loi romaine et la coutume en usage à l'époque, de répudier Hélène et d'épouser la princesse Théodora. Constantin fut élevé par sa mère à la cour de Nicomédie, à moitié invité, à moitié otage, mais rejoignit plus tard son père en Bretagne et l'aida dans ses campagnes militaires. À la mort de son père, en 306, ses troupes le portèrent au pouvoir. En 312, son rival, Maxence, fut proclamé empereur de Rome. Constantin prit la route de la ville éternelle et fut victorieux au Pont Milvius, l'attribuant à une vision qu'il avait eue autrefois : une croix dans le ciel avec les mots : «Par ce signe tu vaincras. Constantin favorisa la propagation de la foi chrétienne par la promulgation de l'édit de Milan, qui mit fin aux persécutions des chrétiens.

En 317, Constantin nomma Hélène « Augusta », mère impératrice. Hélène décida de se rendre en pèlerinage dans les lieux saints. À son arrivée à Jérusalem, elle détruisit le temple de Vénus qu'Hadrien avait fait construire sur le Golgotha. Lors des fouilles, de nombreuses croix furent découvertes, dont l'une fut identifiée miraculeusement comme étant la Croix du Sauveur. La mère de l'empereur posa les premières pierres des basiliques voulues par Constantin: l'église du Calvaire et du Saint-Sépulcre, l'église de l'Ascension sur le Mont des Oliviers, l'église de la Grotte de Bethléem.

Hélène mourut à Constantinople, aux côtés de son fils. Son corps fut ramené à Rome. Constantin décida de transformer sa résidence en église, la basilique Sainte-Croix-de-Jérusalem. Vers 840, un moine nommé Theutgise déroba une partie des reliques de la sainte et les emporta à l'abbaye bénédictine de Hautvillers, où elles furent placées dans un reliquaire derrière l'autel. Sur les prières de l'archevêque de Reims, le pape approuva leur transfert. Riche de nombreuses reliques, l'abbaye a honoré sainte Hélène à travers les siècles. 

À l'anniversaire de sa mort, le 18 août, et lors de la fête de la Sainte-Croix, un office solennel de la sainte est célébré, suivi d'une procession où, avec grande ferveur, de nombreux pèlerins implorent l'intercession de sainte Hélène pour obtenir une guérison. Pendant la Révolution française, Dom Jean-Baptiste Grossard sauva les reliques de sainte Hélène, qui en 1820 furent placées à l' église Saint-Leu-Saint-Gilles de Paris, l'église capitulaire de l'Ordre du Saint-Sépulcre en France. Elles font aujourd'hui l'objet d'un culte œcuménique pour les fidèles catholiques et orthodoxes qui viennent en pèlerinage invoquer celle qui aima tant la Terre Sainte.