Hélène Fillières a commencé à jouer à l'âge de 14 ans dans des courts-métrages réalisés par sa soeur, Sophie . A 19 ans, elle est remarquée pour son rôle aux côtés de Sandrine Kiberlain dans Des filles et des chiens (1991), film de fin d'étude à la Fémis de Sophie Fillières.Dès lors elle enchaîne les seconds rôles parallèlement à des études d'anglais qu'elle mènera jusqu'à l'agrégation. Ne s'étant jamais destinée à une carrière de comédienne, Hélène Fillières n'a donc pas pris le temps de s'inscrire à des cours d'art dramatique. Elle a appris ce métier en se nourrissant des interprétations d'autres acteurs, fascinée par le charisme et la présence à l'écran de Cary Grant, Catherine Deneuve ou encore Julia Roberts. C'est sans doute à cette " méthode " qu'elle doit d'avoir trouvé son style, tout en simplicité et en naturel, en modestie et en sensibilité. En près de 10 ans de carrière et une quinzaine de films, Hélène Fillières a tourné pour la crème des réalisatrices françaises, qu'il s'agisse de Christine Pascal (Adultere mode d'emploi, 1995), Tonie Marshall (Vénus beauté (institut), 1999), Danièle Thompson (La Bûche, 1999) ou plus récemment Marion Vernoux dans Reines d'un jour (2001)... sans oublier sa soeur Sophie Fillières pour laquelle elle a déjà joué trois fois au cinéma (Des filles et des chiens, Grande petite, et Aie).
Nommée au César du Meilleur espoir féminin en 2002 pour sa composition d'adorable râleuse dans Reines d'un jour, elle affiche une prédilection pour des cinéastes à l'univers très personnel, comme les frères Larrieu, qui la font chanter aux côtés de Mathieu Amalric dans Un homme, un vrai (2002) ou Frédéric Videau. Elle fait partie du casting prestigieux de la saga Les Rois Maudits de Josée Dayan, tout en enchaînant les premiers longs métrages, de Bord de mer à De particulier à particulier. Elle passe derrière la caméra en 2006 en signant le court métrage Mademoiselle Y, une réflexion sur le métier d'actrice avec Jeanne Balibar.
Elle inspire des réalisatrices telles que Pascale Ferran (Lady Chatterley), Claire Denis et surtout Laetitia Masson. Celle-ci lui offre de beaux personnages de femme inadaptée dans Coupable (2008) puis le téléfilm Petite fille. Et c'est à la télévision qu'Hèlène Fillières trouve un de ses rôles les plus marquants, celui de Sandra, héroïne déterminée de la série à succès Mafiosa, diffusée sur Canal+ à partir de 2006. Egalement au générique d'une collection de fictions inspirées des polars de Fred Vargas, elle ne délaisse pas pour autant le grand écran, du côté des films grands public (Les Yeux de sa mère, Les Papas du dimanche) comme du cinéma d'auteur (Low Life, A moi seule). En 2013 sort son premier long métrage comme réalisatrice, Une Histoire d'amour avec Benoît Poelvoorde et Laetitia Casta, d'après un roman évoquant la sulfureuse affaire Edouard
