Bei den Olympischen Spielen 1928 in Amsterdam gewann sie die erste Goldmedaille im Fechten für Deutschland überhaupt.
Nach dem Gewinn der Goldmedaillen bei Fechtweltmeisterschaften 1929 und 1931 ging Mayer in die USA um in Kalifornien Internationales Recht zu studieren. Als ihr wegen ihrer jüdischen Abstammung die Mitgliedschaft in ihrem Heimatverein Offenbacher Fecht-Club entzogen wurde entschloss sich Helene in den USA zu bleiben.
Für die Olympischen Spiele 1936 in Berlin kehrte sie noch einmal Deutschland zurück und gewann die Silbermedaille. Unmittelbar der Siegerehrung kehrte sie aber in die zurück und nahm später die amerikanische Staatsbürgerschaft
1952 kehrte Helene Mayer wieder nach Deutschland und heiratete in München den Flugingenieur Erwin von Sonnenburg. Am 15. Oktober 1953 erlag einem Krebsleiden.