Eleonore wurde als Tochter von Kaiser Ferdinand III. und dessen dritter Gemahlin Eleonora von Mantua in Regensburg geboren. Am 27. Februar 1670 wurde sie in Lemberg mit dem polnischen König Michael Korybut Wiśniowiecki verheiratet. Die vierjährige Ehe war für Eleonore eine schwere Zeit. Der König, der über geringe körperliche und geistige Stärke verfügte, wurde von einem Großteil des Adels nicht anerkannt. Seine Gegner verbreiteten die Gerüchte, er sei homosexuell oder impotent. Eleonore griff in diese Streitigkeiten nur selten ein und bewahrte ihre Würde.
Nach dem Tod von König Michael am 10. November 1673 blieb sie noch bis zur Wahl seines Nachfolgers, König Johann III. Sobieski in Polen und kehrte dann in ihre österreichische Heimat zurück.
Ihr Bruder, Kaiser Leopold I. erlaubte ihr, ihre alte Liebe und den späteren Sieger über die Türken, Herzog Karl V. von Lothringen, zu heiraten. Am 6. Februar 1678 fand in der Wiener Neustadt die Hochzeit statt. Karl wurde zum Statthalter von Tirol und Vorderösterreich ernannt, dem Paar wurde die Hofburg in Innsbruck zugewiesen.
Nach dem Tod ihres Gemahls (1690) bemühte sich Eleonore energisch, den letzten Willen Karls zu erfüllen und die Rückführung ihrer Kinder in ihr Erbland Lothringen durchzusetzen. Beim Reichstag in Regensburg beantragte sie die Wiederherstellung Lothringens. Bei den Friedensverhandlungen von Rijswijk im Jahre 1697 wurde dieses Ziel erreicht. Die Souveränität Lothringens wurde jedoch deutlich geschwächt, da dem französischen König das Recht eines freien militärischen Durchzugs eingeräumt wurde.
Nur wenige Monate nach diesem Friedensvertrag starb die Herzogin. Sie hatte Lothringen, dessen Namen sie führte und wo auch ihr zweiter Gemahl begraben liegt, nie betreten und wurde in der Kapuzinergruft in Wien beigesetzt.
