Єлизавета Софія народилась 10 жовтня 1619 року у Галле. Вона була єдиною донькою герцога Саксен-Альтенбурзького Йоганна Філіпа та його дружини Єлизавети Брауншвейг-Вольфенбюттельської. Матір була старшою від батька і для неї це був вже другий шлюб.
У 17 років була пошлюблена Ернстом Саксен-Веймарським, який був вдвічі старшим за неї. Весілля відбулося 24 жовтня 1636 року в Альтенбурзі. За чотири роки Ернст, після переділу земель зі своїми братами, став герцогом Саксен-Готським.
У шлюбі Єлизавета Софія народила вісімнадцятеро дітей.
Крістіан (1653—1707) — герцог Саксен-Айзенберзький, був пошлюблений із Крістіаною Саксен-Мерзебурзькою, а після її смерті — із Софією Марією Гессен-Дармштадтською, мав одну доньку.
Доротея Марія (1654—1682) — принцеса Саксен-Гота-Альтенбурзька, померла неодруженою у віці 28 років.
Ернст (1655—1715) — герцог Саксен-Хільдбургхаузен, одружений із Софією Генрієттою фон Вальдек, мав п'ятьох дітей.
Йоганн Філіп (1 березня—19 травня 1657) — помер немовлям;
Йоганн Ернст (1658—1729) — герцог Саксен-Кобург-Заальфельдський, був двічі одружений, мав одинадцятеро дітей;
Йоганна Єлизавета (2 вересня—18 грудня 1660) — померла немовлям;
Йоганн Філіп (1661—1662) — помер немовлям;
Софія Єлизавета (19—23 травня 1663) — померла немовлям.
August Beck: Ernst der Fromme, Herzog zu Sachsen-Gotha und Altenburg, H. Böhlau, 1865, S. 754 ff. [1] [Архівовано 27 листопада 2021 у Wayback Machine.]
Ludwig Storch: Das Fürstenhaus von Gotha, Erfurt 1826, S. 155 f.