Родилась 15 апреля 1933 года в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. Дочка актёра Роберта Монтгомери и бродвейской актрисы Элизабет Брайан Аллен.
На телевидении Монтгомери дебютировала в отцовском драматическом сериале "Robert Montgomery Presents", а на больших экранах в 1955 году — в военной драме "Трибунал Билли Митчелла".
В 1960 году она была номинирована на "Эмми" за роль проститутки Расти Хеллер в одном из эпизодов сериала "Неприкасаемые". В этом ситкоме актриса играла центральную роль, милой ведьмочки Саманты Стивенс. Сериал был настолько популярен, что продержался на экранах с 1964-го по 1972-й. После 8 успешных сезонов одной из самых современных комедий того времени Элизабет, желая сосредоточиться на большом кино, решила поставить жирную точку на роли ведьмы-домохозяйки.
Первый раз Монтгомери вышла замуж за нью-йоркского светского льва Фредерика Голлатина Камманна в 1954 году, брак с которым развалился в следующем году. С 1956-го по 1963-й она состояла в браке с актёром Гигом Янгом, а с 1963-го по 1973-й — с режиссером и продюсером Уильямом Эшером. Именно с последним актриса задумала сериал "Моя жена меня приворожила", а когда она после рождения сына Уильяма вновь забеременела, сценарий сериала был специально изменен в связи с её положением, лишь бы его звезда не покинула суперпопулярный проект.
Десять лет брака с Эшером закончились разводом. Монтгомери в 1971 году влюбилась в режиссёра Ричарда Майклса, роман с которым продлился два с половиной года. Четвёртым и последим мужем актрисы был актёр Роберт Фоксуорт, с 28 января 1993 года вплоть до её смерти.
Элизабет Монтгомери умерла от рака прямой кишки, 18 мая 1995 года, в кругу близких и друзей, у себя дома в Беверли-Хиллз.
4 января 2008 года на Голливудской Аллее Звезд появилась именная звезда актрисы, а в 2005 году в Салеме был открыт памятник, где Элизабет запечатлена сидящей на метле на фоне месяца.