Fille d'un chef d'escale d'Air France, Hélène Fillières grandit entre l'Europe, le Brésil et les États-Unis. Sa sœur aînée, Sophie, réalisatrice et scénariste, la fait jouer, adolescente, dans ses premiers courts-métrages. Après le court-métrage Les Sirènes de Pascal Bonitzer (avec qui elle tourne Encore), la cadette apparaît en 1991 dans le film de fin d'études de sa sœur, Des filles et des chiens, aux côtés d'une autre débutante, Sandrine Kiberlain. Mais elle se lance ensuite dans des études d'anglais - elle publie d'ailleurs plus tard des traductions d'ouvrages de Dorothy Parker, pour la maison d'édition Christian Bourgois.

Dans les années 1990, après une brève expérience comme mannequin, elle tourne pour Jacques Doillon, Cédric Klapisch ou Danièle Thompson1. Mais c'est encore grâce aux films de sa sœur qu'Hélène Fillières prend le métier d'actrice au sérieux : après un second rôle dans Grande petite en 1994, elle incarne en 2000 l'héroïne de Aïe. C'est suite à ce rôle qu'elle décide de poursuivre son parcours dans le cinéma.

Nouveau visage du cinéma français, Hélène Fillières, sollicitée surtout par les réalisatrices, joue dans Reines d'un jour de Marion Vernoux en 2001, puis la fille de Catherine Deneuve dans Au plus près du paradis de Tonie Marshall, en 20021. L'année suivante, elle chante en compagnie de Mathieu Amalric dans Un homme, un vrai, radiographie du couple réalisée par Arnaud et Jean-Marie Larrieu. À partir de 2003, elle joue également sur les planches du théâtre.

En 2006, elle s'impose au grand public dans le rôle de Sandra Paoli dans la série Mafiosa, le clan en tant que chef de clan du milieu corse, rôle qu'elle tient pendant 8 ans jusqu'en 2014.

Souvent à l'affiche de premiers films, de Bord de mer (2002) à De particulier à particulier (2006), elle fait en 2006 ses débuts de réalisatrice avec le court métrage Mademoiselle Y, une réflexion sur le métier d'actrice. Puis elle réalise deux longs-métrages, Une histoire d'amour en 2013, et Volontaire en 2018, revisitant dans ce dernier film les relations entre hommes et femmes au sein de l'armée.