Par son père, la grande-duchesse Hélène est la petite-fille du tsar Alexandre II de Russie (1818-1881) tandis que, par sa mère, elle descend du grand-duc Frédéric-François II de Mecklembourg-Schwerin (1823-1883). Elle est également la sœur du grand-duc Cyrille Vladimirovitch (1876-1938), prétendant au trône de Russie après l'assassinat de la famille impériale en 1918.