ในเมืองซินายอา วันที่ 26 กรกฎาคม พ.ศ. 2474 เจ้าหญิงอีเลียนาทรงอภิเษกสมรสกับอาร์คดยุคแอนตันแห่งออสเตรีย เจ้าชายแห่งทัสคานี การอภิเษกสมรสครั้งนี้ได้สนับสนุนโดยพระเชษฐาของพระนางคือ สมเด็จพระราชาธิบดีคาโรลที่ 2 แห่งโรมาเนีย แต่พระองค์ทรงไม่พอพระทัยเจ้าหญิงอีเลียนาผู้เป็นพระขนิษฐาซึ่งทรงเป็นที่นิยมชมชอบในหมู่ชาวโรมาเนียมากกว่าพระองค์จึงประสงค์ให้พระนางออกจากประเทศไป หลังจากการอภิเษกสมรสพระเจ้าคาโรลได้ประกาศแก่ประชาชนชาวโรมาเนียอย่าให้เชื้อพระวงศ์ฮาพส์บวร์คเข้ามาอาศัยอยู่ในผืนแผ่นดินโรมาเนีย จากเหตุการณ์ครั้งนี้ทำให้เจ้าหญิงอีเลียนาและอาร์คดยุคแอนตันทรงไม่ได้รับอนุญาตให้เข้ามาในประเทศโรมาเนีย

หลังจากพระสวามีของพระนางทรงถูกเกณฑ์เข้าร่วมกองทัพอากาศลัฟเวฟท์แห่งเยอรมนี พระนางทรงจัดตั้งโรงพยาบาลที่ปราสาทของพระองค์ ณ เมืองซอนเดนเบิร์ก นอกกรุงเวียนนา ประเทศออสเตรียเพื่อทหารชาวโรมาเนียที่ได้รับบาดเจ็บ ในปีพ.ศ. 2487 พระนางและพระโอรสธิดาได้เสด็จกลับโรมาเนีย ทรงพักอาศัยที่ปราสาทบรานใกล้เมืองบราซอฟ อาร์คดยุคแอนตันเสด็จมาร่วมด้วยแต่สถานที่ได้ถูกยึดโดยกองทัพแดง เจ้าหญิงอีเลียนาทรงจัดตั้งและทำงานในโรงพยาบาลอื่นๆในหมู่บ้านบรานที่ซึ่งพระนางทรงตั้งชื่อโรงพยาบาลดวงหทัยของพระราชินีในความรักความทรงจำของพระชนนีของพระนางคือ สมเด็จพระราชินีมารีแห่งโรมาเนีย