Elisabeth H. Winterhalter stammte aus einer Münchener Ärztefamilie. Sie absolvierte zunächst eine Lehrerinnenausbildung und unterrichtete. 1884 begann sie ihrem eigentlichen Berufswunsch folgend in Zürich ein Medizinstudium, da dies Frauen im deutschen Kaiserreich damals verwehrt war. Dort lernte sie ihre spätere Lebensgefährtin Ottilie W. Roederstein kennen.
Nach Staatsexamen (1889) und Promotion (1890) an der Universität Zürich spezialisierte Winterhalter sich auf die Gynäkologie und Chirurgie und bildete sich in Paris, München und Stockholm weiter aus. 1891 zog sie zusammen mit Roederstein nach Frankfurt am Main. Sie eröffnete eine Poliklinik für Frauenkrankheiten im Schwesternhaus Bethanien, wo sie auch chirurgische Operationen durchführte, und ab 1900 führte sie daneben auch eine Privatpraxis in ihrer Wohnung Unterlindau 35 in Frankfurt am Main. Parallel forschte sie im Senckenberg-Institut für Pathologie. 1903/04 holte Winterhalter in Heidelberg das deutsche Physikum, Staatsexamen und die Approbation nach. Sie war in der Frauenbewegung aktiv und engagierte sich für den Zugang von Mädchen zu Abitur und Studium. Als Vorsitzende des 1898 gegründeten Frankfurter Ortsgruppe des Vereins „Frauenbildung – Frauenstudium“ erkämpfte sie die hiesige Einrichtung von Gymnasialklassen für Mädchen, zusammen mit Anna Edinger, Gabriele von Wartensleben und Meta Quarck-Hammerschlag. Nachdem Roederstein und Winterhalter 1909 nach Hofheim am Taunus umgezogen waren, ging sie 1911 in Ruhestand und widmete sich fortan hauptsächlich der Finanzführung des Haushalts zur Unterstützung ihrer Lebensgefährtin. Im Herbst 1937 verfügten beide gemeinsam eine Stiftung an die Stadt Frankfurt für „notleidende Frankfurter Malerinnen und Maler“ und an die Senckenbergische Naturforschende Gesellschaft. Nach dem Tod Roedersteins vermachte Winterhalter dem Städel Museum 16 Gemälde aus dem Nachlass der Künstlerin und verwaltete zusammen mit dem befreundeten Nachbarn Hermann Jughenn ihren schriftlichen und künstlerischen Nachlass.
