Dal 1985 ha intrapreso la carriera diplomatica, dapprima presso la Direzione generale degli affari politici[8] e poi con incarichi nelle ambasciate italiane e nelle rappresentanze permanenti a Vienna e a Bratislava, oltre che presso le direzioni generali del Ministero degli esteri.[9] In particolare, dal 1993 al 1996 è stata primo segretario della rappresentanza diplomatica italiana presso le Organizzazioni internazionali a Vienna.[8] Dopo il rientro a Roma ha lavorato per breve tempo presso l'ufficio Russia[8] prima di essere promossa, nel 2000, alla segreteria della Direzione per i Paesi dell'Europa. Nel 2001 ha assunto l'incarico di capo dell'Ufficio per i Paesi dell'Europa centro-orientale e infine, dal 2002, capo della segreteria del sottosegretario di Stato agli esteri Roberto Antonione.[10]
Nel novembre 2004 il ministro degli esteri Franco Frattini l'ha scelta per dirigere l'unità di crisi del Ministero degli affari esteri e della cooperazione internazionale. All'epoca in tutto il dicastero c'era solo un'altra donna nei ruoli di dirigenza, la responsabile della Direzione generale per gli affari culturali Anna Blefari Melazzi. Solo un mese e mezzo dopo, il 26 dicembre, deve affrontare la tragedia dello tsunami nel sudest asiatico con migliaia di turisti italiani in zona, centinaia di dispersi, il difficile compito di contattare le famiglie delle vittime e organizzare i rimpatri.[11] Ha lasciato l'incarico a giugno 2008, con la nomina a direttrice generale della cooperazione allo sviluppo del medesimo dicastero, che ha guidato sino al 2013,[12] mentre dal gennaio 2013 al giugno 2015 è stata al vertice della Direzione generale per le risorse e l'innovazione.[13][14]
Nel corso della carriera diplomatica, Elisabetta Belloni ha conquistato la stima trasversale del mondo politico[20] senza tuttavia mai rivelare il proprio orientamento e dichiarandosi, già nel 2007, "orgogliosa di non avere alcuna matrice politica" e di potersi definire "istituzionale".[8] A febbraio 2018, durante la campagna elettorale per le elezioni politiche, su invito dell'ex ministro democristiano Vincenzo Scotti[21] prese parte, presso la Link Campus University, alla presentazione del programma del Movimento 5 Stelle per la politica estera, illustrato dal capo politico Luigi Di Maio.[22] Dopo le elezioni, nel maggio 2018 il suo nome fu presentato da alcuni organi di stampa come uno dei possibili candidati a ricevere il mandato di Presidente del Consiglio per un governo che avrebbe dovuto accompagnare il Paese a nuove elezioni.[22][23]
In vista dell'elezione del presidente della Repubblica di gennaio 2022 è stata inclusa dalla stampa tra i possibili candidati[24][25][26] in quanto definita figura potenzialmente capace di unire le forze politiche sostenenti il governo Draghi per il suo trascorso che l'ha portata a lavorare a stretto contatto con figure di tutti i diversi schieramenti politici nella sua esperienza alla Farnesina e al DIS.[27] La sua candidatura, che in vista del VII scrutinio è stata proposta in particolare da Lega e Movimento 5 Stelle, ha trovato l'esplicita opposizione di Matteo Renzi e di altre forze politiche del centro e della sinistra, che ritenevano inopportuna l'ascesa alla massima carica istituzionale di un'esponente di punta dei servizi segreti; fallito il tentativo di eleggere Belloni (che al VII scrutinio ottenne solamente otto voti sui 505 richiesti[28]), e rieletto per un secondo mandato il Presidente uscente Mattarella, alcuni parlamentari hanno avviato una discussione per rendere ineleggibili i vertici dei servizi segreti.[29]
«Per il contributo dato alla cooperazione bilaterale, in particolare durante le emergenze del Libano, dello tsunami in Asia e degli scontri in Costa d'Avorio.» — dicembre 2007[35]
^In precedenza era stata nominata Grande ufficiale il 13 gennaio 2017, Commendatore il 27 dicembre 2009, Ufficiale il 27 dicembre 2005 e Cavaliere il 2 giugno 1996.