Hélène Antoinette Eugénie Boucher est la fille de Léon Boucher, architecte parisien, et de Élisabeth Hélène Dureau. Dès son enfance, elle reçoit le surnom de Léno qu'elle conservera toute sa vie. Pendant la Première Guerre mondiale, elle quitte, avec sa famille, Paris. Dans la propriété familiale de Yermenonville, en Eure-et-Loir, elle collectionne alors les photos d'aviateurs et les articles sur les avions. De retour dans l'appartement familial au 169 rue de Rennes à Paris, elle entre au lycée Montaigne puis au collège Sévigné, premier établissement secondaire laïque pour jeunes filles créé en France et où elle rencontre son amie et confidente de toujours, Dolly Van Dongen, la fille du peintre Kees van Dongen.
À 22 ans, Hélène Boucher décide de devenir aviatrice afin de venger la mort d'un ami de son frère, le pilote d'essai Jean Hubert. Elle devient l'élève de Henri Farbos, pilote français (fondateur de l'aéroclub des Landes de Mont-de-Marsan en 1928). Elle passe son baptême de l'air le 4 juillet 1930, à l'âge de 22 ans.
Elle prend son premier cours de pilotage en mars 1931 et obtient son brevet de pilote de tourisme le 21 juin 1931 puis, après avoir cumulé 100 heures de vol et réalisé un vol de nuit, son brevet de pilote professionnel de transport public en juin 1932 (elle devient ainsi la quatrième en France à le décrocher après Adrienne Bolland, Maryse Bastié et Maryse Hilsz). Elle s'achète aussitôt un petit avion d'occasion. Dès juillet 1932, elle participe au rallye aérien Caen - Deauville. Son avion mal préparé tombe en panne et elle doit dans l'urgence se poser. L'avion reste accroché dans les branches d'un arbre, mais Léno s'en sort sans blessures.
Elle poursuit ses participations aux manifestations : le raid Paris - Saïgon au début de l'année 1933, les 12 heures d'Angers en juillet 1933 (avec Edmée Jarlaud comme passagère, elle termine 14e au classement général et est la première femme à franchir la ligne d'arrivée ) et le 2 août premier record du monde, celui d'altitude féminin pour avion léger deuxième catégorie, avec 5 900 mètres à bord de son avion Mauboussin 60CV.
En septembre 1933, elle se lance dans l'acrobatie aérienne. Le pilote d'essai et champion de voltige Michel Détroyat, son moniteur, déclare au terme de sa formation : « Dans quelques mois, elle sera la meilleure acrobate du monde ! ».
En 1934, elle s'engage avec les aviatrices Maryse Bastié et Adrienne Bolland dans le combat féministe et devient militante pour le vote des Françaises au côté de Louise Weiss.
En juin 1934, Hélène Boucher signe un contrat avec la nouvelle société Caudron-Renault. C'est François Lehideux, patron de Renault de l'époque, qui décide de son embauche pour tester la maniabilté de ses appareils. Avec ce contrat elle obtient, outre un salaire assurant son indépendance financière, des moyens techniques lui permettant de donner le meilleur d'elle-même9.
Le 8 juillet 1934, elle se classe seconde aux 12 Heures d'Angers. Elle a piloté seule son Caudron-Rafale douze heures d'affilée, alors que les vainqueurs, Lacombe et Trivier, se sont relayés. Au passage, elle a battu le record du monde des 1 000 km pour avions légers.
Le 8 août 1934, aux commandes d'un Caudron-Renault monoplan de 140 CV, Hélène Boucher enlève d'une part le record international de vitesse toute catégorie sur 100 km à 412 km/h et d'autre part le record des 1 000 km à la moyenne de 409 km/h (Maurice Arnoux détenait l'ancien record avec 393 km/h). Le 11 août, elle s'adjuge le record du monde féminin à 445 km/h3,1.
Par ailleurs, la société Renault est sous contrat avec Hélène Boucher pour promouvoir sa voiture sport de prestige, la Vivasport 6 cylindres. C'est Marcel Riffard, chef du bureau d'études Caudron-Renault et concepteur du Caudron Rafale, qui a dessiné la Renault Viva Grand Sport (appelée « Vivastella Grand Sport » avant 1935).
Le 30 novembre 1934, Hélène Boucher se tue lors d'un vol d'entraînement sur l'aérodrome de Guyancourt aux commandes d'un Caudron C.430 Rafale. La presse évoque une perte de vitesse à l'atterrissage et un oubli possible que les commandes sont inversées : l'avion accroche la cime des arbres au-dessus de la forêt de la Croix du Bois de Magny-les-Hameaux et s'écrase près de la route de la Butte aux Chênes à Brouessy, non loin de la demeure familiale de l'aviateur Henri Farman (une petite stèle indique l'emplacement de l'accident). Ce sont les pilotes Raymond Delmotte, Fouquet et Goury, témoins de l'accident, qui arrivent les premiers sur les lieux. Hélène Boucher, gravement blessée, est évacuée vers l'hôpital de Versailles. Elle décède dans l'ambulance dans la côte de Satory à Guyancourt.
Avant d'être inhumée au cimetière de Yermenonville, commune d'Eure-et-Loir où elle passa sa jeunesse, un hommage national lui est rendu en l'église Saint-Louis-des-Invalides à Paris. Son cercueil est exposé pendant deux jours. Elle est la première femme à recevoir un tel honneur.