Ihre Karriere startete mit kleinen Rollen in Filmen und Serien wie z. B. CSI: Miami, Dr. House, Criminal Minds, Für alle Fälle Amy und CSI: NY. Wegen des anhaltenden Erfolges von Schwester Dakota bei Castings zog die Mutter mit den Geschwistern nach Los Angeles, wo schließlich auch Elle an Castings teilnahm und erste Filmrollen erlangte. Es folgten dann Filme wie Ich bin Sam (2001), Taken (2002), Der Kindergarten Daddy (2003) und Schweinchen Wilbur und seine Freunde (2006), in denen sie meistens die jüngere Version von ihrer älteren Schwester Dakota spielte.

In der Miniserie Das verschwundene Zimmer, die im Dezember 2006 in den USA ausgestrahlt wurde, spielt sie die Rolle der Anna Miller. Im Kino übernahm sie Rollen in Babel sowie in Déjà Vu – Wettlauf gegen die Zeit. 2008 spielte sie in Der seltsame Fall des Benjamin Button erneut an der Seite von Cate Blanchett und Brad Pitt. 2007 erhielt sie ihre erste Hauptrolle, sie spielte Phoebe Lichten im Film Phoebe im Wunderland von Daniel Barnz. 2008 plante sie gemeinsam mit ihrer Schwester Dakota das Geschwisterpaar in Beim Leben meiner Schwester zu spielen, aber da Dakota sich nicht die Haare abrasieren wollte, entschieden beide Schwestern nicht am Film mitzuwirken.

2010 wirkte sie an der Seite von Stephen Dorff als seine Tochter Cleo in Sofia Coppolas Film Somewhere mit. 2011 startete der Film Super 8 von J. J. Abrams in den Kinos, dort spielte sie als Alice Dainard eine der Hauptrollen. Der Film bekam überwiegend positive Kritiken und brachte Fanning unter Anderem eine Nominierung bei den Young Artist Awards 2012 als Beste Hauptdarstellerin in einem Spielfilm und eine als Beste Nachwuchsschauspielerin für den Saturn Award ein.