Née le 9 avril 1998 à Conyers, Géorgie, Mary Elle Fanning est la fille de Joy (née Arrington), joueuse de tennis professionnelle, et de Steve Fanning, ancien joueur de Baseball pour l'équipe les Cardinals de Saint-Louis et actuel vendeur en matériels électroniques à Los Angeles. Son grand-père maternel est le joueur de football Rick Arrington, et sa tante la reporter Jill Arrington pour l'ESPN, chaîne de télévision dédiée au sport.
Elle est la plus jeune soeur de
Dakota Fanning, également actrice. Sa famille et elle-même sont membres de la Convention baptiste du Sud.
Elle débute au cinéma en jouant le rôle de sa soeur
Dakota Fanning plus jeune dans le film
Sam, je suis Sam et dans la série Disparition (Taken). Il faut attendre 2003 et la sortie du film École paternelle pour la voir enfin obtenir un rôle dans un film dans lequel sa soeur ne joue pas, puis la sortie du film Lignes de vie, aux côtés de
Kim Basinger et
Jeff Bridges. Les producteurs du film avaient originellement projeté d'engager des jumelles étant donné le rythme effrené du tournage, mais furent si impressionnés par Elle, qu'elle interpréta son personnage Ruth Cole entièrement. La même année, Elle apparaît dans la comédie dramatique
Winn-Dixie mon meilleur ami, dans le rôle de Sweetie Pie Thomas.
En 2005, Elle donne la réplique à
Brad Pitt et
Cate Blanchett dans le film
Babel. Deux ans plus tard elle donne de nouveau la réplique à
Brad Pitt et
Cate Blanchett dans le film L'Étrange Histoire de Benjamin Button
- En 2010 elle joue Cléo, un des personnages principaux du très remarqué Somewhere de Sofia Coppola. C'est grâce au rôle que joue Elle dans ce film, qu'elle reçoit plusieurs demandes de films. Elle joue le rôle principal du nouveau film de J.J. Abrams : Super 8 (film) qui sortira dans les salles américaines en juillet 2011. Ensuite c'est au tour de Cameron Crowe, elle y joura le rôle d'une adolescente qui travaille illégalement dans un zoo. Elle rejoura les premiers rôles dans Pure Life de Van Fischer, film qui sortira prochainement.