Elion urodziła się 23 stycznia 1918 r. w Nowym Jorku. Jej rodzicami byli żydowski imigrant z Litwy Robert Elion i polska imigrantka Bertha Cohen. W swoich wspomnieniach Gertrude pisała: „Urodziłam się w Nowym Jorku w mroźną styczniową noc, kiedy zamarzły i pękły rury z wodą w naszym mieszkaniu. Na szczęście moja matka była wtedy w szpitalu, a nie w domu. Mój ojciec wyemigrował z Litwy do Stanów Zjednoczonych w wieku 12 lat. Wyższe wykształcenie zdobył w Nowym Jorku i w 1914 r. ukończył New York University School of Dentistry. Moja matka przybyła w wieku 14 lat z części Rosji, która po wojnie stała się Polską. Miała zaledwie 19 lat, gdy wyszła za mąż za mojego ojca. Pierwsze siedem lat życia spędziłam w dużym mieszkaniu na Manhattanie, gdzie ojciec miał swój gabinet dentystyczny, a nasze pomieszczenia mieszkalne przylegały do niego […]. Mój brat urodził się około sześć lat po mnie i wkrótce potem przenieśliśmy się do Bronxu, który był wtedy uważany za przedmieście Nowego Jorku. Było tam jeszcze wiele otwartych działek, na których dzieci mogły się bawić oraz duże parki, w tym Bronx Zoo, któremu byłam bardzo oddana. Ja i mój brat mieliśmy szczęśliwe dzieciństwo. Chodziliśmy do szkoły publicznej w odległości krótkiego spaceru od naszego domu. Nasze klasy były na ogół dość zatłoczone, ale otrzymaliśmy dobre podstawowe wykształcenie.”

Gertrude była świetną uczennicą. Ukończyła z wyróżnieniem szkołę średnią w wieku 15 lat. W tym samym czasie w jej życiu wydarzyła się tragedia – na raka żołądka zmarł ukochany dziadek Elion. Z jej wspomnień czytamy: „Byłam dzieckiem z nienasyconym pragnieniem zdobywania wiedzy i pamiętam, że prawie tak samo cieszyłam się wszystkimi moimi kursami. Kiedy przy końcu szkoły średniej przyszedł czas, aby wybrać naukę, w której mam się specjalizować, byłam w rozterce. Gdy miałam 15 lat mój dziadek, którego bardzo kochałem, zmarł na raka. Sądzę, że było to jednym z czynników decydujących o wyborze mojej kariery naukowej. Byłam bardzo zmotywowana do zrobienia czegoś, co ostatecznie może doprowadzić do wyleczenia tej strasznej choroby. Kiedy wstąpiłam do Hunter College w 1933 r., zdecydowałam się na nauki ścisłe, w szczególności na chemię”. Gertrude dostała się do Hunter Center dzięki dobrym wynikom w szkole, a studia te ukończyła z wyróżnieniem w 1937 r. Niestety, jej nadzieje na znalezienie pracy badawczej powoli się rozmywały – aż 15 uczelni odmówiło jej wsparcia finansowego. Nikt nie traktował jej poważnie. „Zastanawiali się dlaczego chcę być chemikiem, skoro żadne kobiety tego nie robiły” – powiedziała w wywiadzie z 1997 r., który później ukazał się w jej biografii napisanej dla Royal Society. Nie tylko spotkała się z dyskryminacją w środowisku akademickim, ale również nie mogła znaleźć pracy ze względu na swoją płeć, więc zapisała się do szkoły dla sekretarek. Patrząc z perspektywy lat na swoje doświadczenia, stwierdziła: „Nie miałam świadomości, że jakiekolwiek drzwi były dla mnie zamknięte, dopóki nie zaczęłam do nich pukać”. Po jakimś czasie znalazła nieodpłatną pracę jako wolontariuszka w laboratorium chemicznym. Dzięki równoczesnej pracy jako sekretarka i nauczycielka fizyki i chemii w szkole średniej udało jej się zaoszczędzić pieniądze na studia na Uniwersytecie Nowojorskim, gdzie była jedyną kobietą na zajęciach z chemii.

Elion ukończyła studia magisterskie w 1941 r. Podczas II wojny światowej pracowała w laboratorium kontroli artykułów żywnościowych w przedsiębiorstwie Quaker Maid, ale ta praca nie przyniosła jej satysfakcji – była po prostu zbyt nudna. W tym czasie wielu mężczyzn zostało powołanych na front, co paradoksalnie umożliwiło jej pracę w laboratorium. „Wojna wszystko zmieniła. Wszystkie zastrzeżenia co do zatrudniania kobiet w laboratoriach po prostu się ulotniły” – wspominała. Później pracowała też w laboratorium farmaceutycznym w firmie Johnson & Johnson w New Jersey jako chemiczka. Firma zamknęła swoją siedzibę 6 miesięcy później, co skłoniło Elion do ponownych poszukiwań pracy. Z kilku ofert, które jej proponowano, najbardziej zaciekawiła ją propozycja pracy asystentki przy badaniach George'a Hitchingsa, który był zwolennikiem nowatorskiego sposobu prowadzenia badań. Uważał, że poszukiwanie nowych leków powinno opierać się na podobieństwie strukturalnym do ich naturalnych pochodnych. Twierdził też, że syntetyczne leki powinny hamować metabolizm mikroorganizmów, przez co mogą być skutecznymi w walce z wieloma chorobami. Jego podejście polegało na obserwacji różnic w metabolizmie kwasów nukleinowych (DNA i RNA) wśród pierwotniaków, prawidłowych komórek ludzkich i komórek nieprawidłowych (np. komórek nowotworowych, bakterii i wirusów). Hitchings zlecił Elion prace nad purynami (zasadami azotowymi wchodzącymi w skład kwasów nukleinowych DNA i RNA) – adeniną i guaniną. Dzięki obserwacji roli puryn w metabolizmie kwasów nukleinowych odkryli, że komórki bakteryjne wymagają pewnych puryn do tworzenia DNA. Hitchings wysunął hipotezę, że uniemożliwiając tym purynom wejście na szlak metaboliczny prowadzący do syntezy DNA, mogą zatrzymać produkcję DNA i tym samym zatrzymać wzrost komórek.

Gertrude oddała się pracy z nieopisaną wręcz pasją. Pracowała w weekendy, wakacje, zostawała po godzinach, każdą wolną chwilę poświęcała chemii i biochemii. Eliot pamiętała to tak: „Mój głód wiedzy dobrze mi się przysłużył w tym laboratorium, ponieważ dr Hitchings pozwolił mi uczyć się tak szybko, jak tylko mogłam i brać na siebie coraz więcej odpowiedzialności, kiedy byłam na to gotowa. Nie będąc wyłącznie chemikiem organicznym, wkrótce bardzo zaangażowałam się w mikrobiologię i aktywność biologiczną związków, które syntetyzowałam. Nigdy nie czułam się zmuszona do ścisłego zajmowania się chemią, ale mogłam poszerzyć swoje horyzonty o biochemię, farmakologię, immunologię i w końcu wirusologię. […] Praca stała się fascynująca niemal od samego początku. Badaliśmy nowe granice, ponieważ bardzo mało było wiadomo o biosyntezie kwasów nukleinowych i enzymach z nią związanych. Dość wcześnie przydzielono mi pracę nad purynami i z wyjątkiem kilku odchyleń w kierunku pterydyn i innych skondensowanych układów pirymidynowych reszta mojej pracy koncentrowała się prawie całkowicie na purynach. Każda seria badań była jak tajemnicza historia, w której ciągle próbowaliśmy wywnioskować, co oznaczają wyniki mikrobiologiczne, mając do dyspozycji niewiele informacji biochemicznych. Następnie, w połowie lat 50. XX w., pojawiła się praca Greenberga, Buchanana, Kornberga i innych, która wyjaśniła ścieżki biosyntezy i wykorzystania puryn, a wiele z naszych odkryć zaczęło się układać w całość. Kiedy zaczęliśmy dostrzegać rezultaty naszych wysiłków w postaci nowych leków, które wypełniały rzeczywiste potrzeby medyczne i przynosiły korzyści pacjentom w bardzo widoczny sposób, nasze poczucie nagrody było niezmierne”.

Młoda badaczka chciała zrobić doktorat, toteż przez krótki czas podjęła się studiów doktoranckich, ale gdy dziekan wydziału oświadczył jej, że powinna zrezygnować dla nich ze swojej pracy i uczestniczyć w zajęciach w pełnym wymiarze godzin, Elion zrezygnowała. „Wykluczone, nigdy nie zrezygnuję z mojej pracy. Wiem doskonale, kiedy mam to, co jest dla mnie najlepsze i czego pragnę” – powiedziała. Gertrude Elion nigdy nie zrobiła doktoratu i nie miała formalnego stopnia doktora. We wspomnieniach pisała: „Podjęłam wtedy krytyczną decyzję w moim życiu, aby pozostać w pracy i zrezygnować z kontynuowania studiów doktoranckich. Po latach, kiedy otrzymałem trzy tytuły doktora honoris causa od George Washington University, Brown University i University of Michigan, stwierdziłem, że być może ta decyzja była jednak słuszna. Niestety, żadne z moich rodziców nie doczekało się tego uznania”. Pomimo całego poświęcenia, jakiego wymagano bądź nie, kochała swoją pracę tak bardzo, że przyznała, że ​​nigdy nie odczuwała „wielkiej potrzeby wyjścia na zewnątrz dla relaksu”. Życie Eliot podnosiło jej motywację do badań w kontrowersyjny sposób. W 1941 r. narzeczony uczonej Leonard Canter, wybitny statystyk w City College, zachorował na ostre bakteryjne zapalenie wsierdzia, z powodu którego zmarł. „To złamało mi serce i tak naprawdę nigdy w pełni ta rana się nie zabliźniła” – wyznała bratu. Nigdy nie wyszła za mąż. Później na raka szyjki macicy zmarła matka Elion, a na białaczkę umarł jej bliski przyjaciel. Natomiast po śmierci ojca uczona wyrzuciła z siebie: „Zupełnie jakby [jego śmierć – przyp. red.] zawierała wiadomość skierowaną do mnie: <To jest choroba, z którą będziesz musiała walczyć>”.

Pierwszy sukces badawczy przyszedł w 1948 r., kiedy Elion i Hitchings otrzymali w swoim laboratorium 2,6-diaminopurynę i tioguaninę – substancje hamujące rozwój białaczki. Niestety, leki bazujące na diaminopurynie okazały się także toksyczne dla orgnizmu. Elion rozpoczęła poszukiwania mniej trującego związku, testując ponad 100 związków purynowych. W końcu odkryła pochodną 6-merkaptopuryny (6-MP) – tioguaninę, którą stworzyła, zastępując jeden atom siarki atomem tlenu. Ten związek hamował białaczkę, był mniej toksyczny i co najważniejsze – można było go stosować w terapii u dzieci. Lek ten, włączając się w szlak biosyntezy nukleotydów purynowych, powoduje zahamowanie replikacji DNA, co stanowi o jego wysokiej skuteczności w terapii. Wkrótce uczeni przeprowadzili syntezę 6-tioguaniny, która skutecznie hamowała rozwój leukocytów, co z kolei wiąże się z osłabieniem reakcji układu odpornościowego. Elion i Hitchings otrzymali serię związków, które służyły już nie tylko do walki z chorobami nowotworowymi, ale osłabiały także reakcję organizmu na odrzucenie przeszczepów, jak azatiopryna (Imuran) – skuteczny lek immunosupresyjny. Odkrycie azatiopryny było niezwykle ważne dla medycyny, ponieważ umożliwiło osobom z osłabionym układem odpornościowym otrzymywanie przeszczepów organów bez odrzucania ich przez organizm. Inny odkryty przez nich związek – allopurynol – hamuje syntezę kwasu moczowego, co czyni go skutecznym lekiem na podagrę. W latach 60. XX w. Hitchings i Elion odnieśli również sukces w zwalczaniu chorób zakaźnych – opracowanie pirametaminy stosowanej w leczeniu malarii oraz trimetoprimu (Septra), który leczy zapalenie opon mózgowych, posocznicę i infekcje bakteryjne dróg moczowych i oddechowych. „Badania, które rozpoczęliśmy w latach 40. XX w., przyniosło także nowe terapie lekowe na malarię (pirymetaminę), białaczkę (6-merkaptopurynę i tioguaninę), dnę moczanową (allopurinol), przeszczepianie narządów (azatiopryna) i infekcje bakteryjne (kotrimoksazol). Nowa wiedza wniesiona przez nasze badania wskazała drogę do badań, które doprowadziły do opracowania głównych leków przeciwwirusowych stosowanych w zakażeniach opryszczki (acyklowir) i AIDS (azydotymidyna)” – wspominała Elion.

Po przejściu Hitchingsa na emeryturę w 1967 r. Elion została szefem Wydziału Terapii Eksperymentalnej, nadal kontynuując i nadzorując badania, aż do swojego przejścia na emeryturę w 1983 r. Pozostała w laboratorium na prawie pełnym etacie jako emerytowany naukowiec i konsultant, pilnując prac nad azydotymidyną (AZT) – pierwszym skutecznym lekiem w walce z AIDS. Choć nie udało jej się dokończyć doktoratu, George Washington University i Brown University przyznały Elion doktoraty honoris causa. Elion jest również jedną z niewielu kobiet, które otrzymały prestiżowy Medal Garvana Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, przyznany w 1968 r. Wraz z Hitchingsem i innym współpracownikiem – Jamesem Blackiem – Elion otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny 17 października 1988 r. za odkrycie ważnych zasad leczenia farmakologicznego. Trzy lata później została odznaczona National Medal of Science i stała się pierwszą kobietą wprowadzoną do National Inventors Hall of Fame. W 1995 r. została wybrana na zagranicznego członka Towarzystwa Królewskiego (Wielka Brytania). George Hitchings zmarł 27 lutego 1998 r. w wieku 93 lat. Rok później, 21 lutego 1999 r., w Północnej Karolinie w wieku 81 lat umarła spokojnie Gertrude Belle Elion.