Troisième des Championnats d'Europe d'Helsinki en 1994, et troisième des Championnats du monde de Göteborg l'année suivante, Nikolayeva devient championne olympique du 10 km lors des Jeux olympiques d'Atlanta. S'approchant de son record personnel établi cette même année (41 min 04 s), elle devance avec le temps de 41 min 49 s l'Italienne Elisabetta Perrone et la Chinoise Wang Yan. En 2002, la marcheuse russe se classe deuxième des Championnats d'Europe de Munich derrière sa compatriote Olimpiada Ivanova. Le , Yelena Nikolayeva s'adjuge le titre des 20 kilomètres des Championnats du monde de Paris-Saint-Denis en 1 h 26 min 52 s (nouveau record de la compétition), devançant de 42 secondes l'Irlandaise Gillian O'Sullivan. Elle remporte la Coupe du monde de marche 2004 en 1 h 27 min 24 s et décide de mettre un terme à sa carrière sportive à l'issue de la saison.