Fille de Ferdinand III, roi de Castille et de Léon, et de Jeanne de Dammartin, comtesse de Ponthieu. Le mariage d’Éléonore en 1254 avec le futur Édouard 1er d’Angleterre n’était pas le premier mariage prévu pour elle par sa famille. Les rois de Castille, avaient de longue date, affirmé leur suzeraineté sur le royaume de Navarre, et depuis 1250 Ferdinand III et son héritier, le futur Alphonse X de Castille, demi-frère d’Éléonore, espéraient la marier à Thibaut II de Navarre. Pour éviter de tomber sous la tutelle de la Castille, la mère de Thibaut II, Marguerite de Bourbon conclut en 1252 avec Jacques 1er d’Aragon une alliance qui comportait l’engagement solennel que jamais Thibaut n’épouserait Éléonore.
En 1252, Alphonse X fit revivre des prétentions dynastiques douteuses sur le duché de Gascogne, au sud de l’Aquitaine, laquelle était la dernière possession des rois d’Angleterre en France. Henri III d’Angleterre se hâta de contrer les prétentions d’Alphonse par des mesures diplomatique et militaires. Au début de 1254 les 2 rois commencèrent à négocier et, après avoir discuté les conditions financières, Henri et Alphonse convinrent qu’elle épouserait le fils d’Henri, Édouard, et qu’Alphonse transférerait à Édouard ses prétentions sur la Gascogne. Henri, tellement impatient que le mariage eût lieu, renonça délibérément à continuer les préparatifs déjà entamés pour l’adoubement d’Édouard en Angleterre, et accepta que ce serait Alphonse qui adouberait Édouard avant le mariage.
Le jeune couple se maria au monastère de Las Huelgas, à Burgos, le 18 octobre 1254. Henri III était fier d’avoir résolu définitivement la crise gasconne, mais ses sujets anglais craignaient qu’Éléonore fît venir avec elle une nuée de cousins et de compatriotes qui vivraient de la générosité ruineuse d’Henri. Plusieurs de ses proches vinrent effectivement en Angleterre peu de temps après son mariage. Elle était trop jeune pour arrêter leur intrusion ou empêcher Henri III de leur donner de l’argent, mais elle fut la cible de toutes sortes de reproches et son mariage fut impopulaire.
En 1260, quand une guerre civile entre Henry III et ses barons divisa le royaume d’Angleterre, elle soutint activement les intérêts d’Édouard, en faisant venir des archers du Ponthieu, le comté de sa mère en France. Les rumeurs qu’elle cherchait des troupes fraîches de Castille amenèrent le chef des barons révoltés, Simon V de Montfort, à ordonner son enlèvement du château de Windsor après sa victoire de Lewes en juin 1264. Édouard y fut capturé et emprisonné et elle-même fut honorablement confinée au palais de Westminster. Après qu’Édouard et l’armée d’Henry eurent vaincu l’armée des barons à la bataille d’Evesham en 1265, Édouard reçut un rôle important dans la réforme du gouvernement et Éléonore gagna en importance à ses côtés. Sa position s’accrut encore en juillet 1266 quand elle donna finalement naissance à un fils, Jean, suivi d’un second, Henri, au printemps 1268, et en 1269 d’une fille, Éléonore.
En 1270, le royaume étant apaisé, Édouard et Éléonore allèrent rejoindre son oncle saint Louis à la 8ème Croisade. Après avoir passé l’hiver en Sicile, le couple continua sa route vers Saint-Jean d’Acre en Palestine, où il arriva en mai 1271.
Militairement la croisade fut infructueuse mais Baibars, de la dynastie Bahri, fut assez inquiété par la présence d’Édouard à Saint-Jean d’Acre pour qu’une tentative d’attentat fût commise sur la vie de l’héritier du trône d’Angleterre en juin 1272. Il fut blessé au bras par une dague que l’on crut empoisonnée.
Ils quittèrent la Palestine en septembre 1272 et en Sicile, en décembre, ils apprirent la mort d’Henri III survenue le 16 novembre. Édouard et Éléonore revinrent en Angleterre et furent couronnés ensemble le 19 août 1274. Elle accompagna son mari dans ses campagnes militaires, accouchant de son 4ème fils le futur Édouard II d’Angleterre à Caernarfon en 1284 immédiatement après la conquête du pays de Galles.
Elle mourut le 28 novembre 1290 à Nottingham, et son corps fut enseveli dans l’abbaye de Westminster. Son mari fit élever plusieurs croix en son souvenir dont la plus célèbre est Charing Cross.