Художник и искусствовед, Елена Нагаевская училась в актюбинской женской гимназии и Среднеазиатском университете. Художественное образование она приобрела на изобразительных профессиональных курсах в Москве. Однако диплом о классическом высшем образовании Елена Варнавовна получила уже в весьма зрелом возрасте, с отличием окончив в 1949 году обучение на историко-искусствоведческом отделении МГУ.
На начальном этапе творчества Нагаевская увлеклась кубизмом, участвовала в выставках художников-авангардистов, но с начала 1930-х годов стала работать в реалистической манере и вступила в Союз художников СССР. В предвоенные годы вместе с мужем — известным художником и выдающимся искусствоведом Александром Роммом — Елена Варнавовна много путешествовала по среднеазиатским регионам СССР, создав ряд художественных работ о жизни этих мест при советской власти. Годы Великой Отечественной войны художница провела в эвакуации в городе Фрунзе.
В 1950 году Нагаевская и Ромм поселились в Бахчисарае, где Елена Варнавовна заняла должность научного сотрудника Бахчисарайского музея-заповедника (некоторое время она также была заведующей фондами). После смерти мужа в 1952 году художница окончательно осела в Бахчисарае, приобретя небольшой дом неподалёку от Ханского дворца, лишь на зиму уезжая в Москву.
В эти годы ею создана серия крымских пейзажей, в т.ч. объёмных панно, посвящённых пещерным городам. Она участвовала в художественных выставках в Крыму и Москве, занималась изучением и спасением от разрушения памятников Бахчисарайского района.
В 1968 году Нагаевская издала путеводитель по Бахчисараю и его окрестностям, выдержавший несколько переизданий. Художница отдала много сил развитию вопросов искусствоведения — из-под её пера вышло около пятидесяти статей на эту тематику.
Елена Варнавовна умерла в Москве, но похоронили её рядом с мужем на Старом Бахчисарайском кладбище. В 1995 году в доме Нагаевской и Ромма открылся частный музей, посвящённый их памяти. Произведения Е. В. Нагаевской сегодня входят в состав ряда музейных собраний России и ближнего зарубежья, в том числе Государственной Третьяковской галереи и Государственного Русского музея.