Née dans une famille de musiciens et révélant très jeune des facultés pour la musique, elle intègre à neuf ans le Conservatoire de Paris où elle obtient plusieurs premiers prix. Élève dans la classe de composition de Paul Dukas, avec qui elle se lie d’amitié, elle devient en 1929 la quatrième femme à remporter le Premier Grand Prix de Rome. À la suite des accords de Munich, Elsa Barraine intègre le parti communiste. En 1941, elle fonde le Front national des musiciens qui lutte contre la propagande nazie dans le domaine de la musique. Après la guerre, elle participe à la fondation de l'Association française des musiciens progressistes, laquelle s'inspire des idées du Manifeste de Prague en réaction au formalisme et à l'abstraction de « l'art bourgeois ». De 1952 à 1974, la compositrice enseigne comme professeur au Conservatoire de Paris, où elle devient titulaire de la classe d'analyse en 1969. En 1972, elle est nommée inspectrice des théâtres lyriques nationaux à la Direction de la Musique du ministère de la Culture.
Considérée comme une compositrice « visionnaire », Elsa Barraine inscrit dans son œuvre ses idéologies politiques humanistes et religieuses, comme dans Pogromes, Song-Koï ou sa Symphonie no 2. Ses compositions s'intègrent dans la lignée du néo-classicisme, mais avec un travail prononcé pour le timbre et la couleur instrumentale. Bien qu'elle soit considérée comme « l'une des compositrices françaises les plus remarquables du milieu du XXe siècle », la musique d'Elsa Barraine est encore rarement jouée aujourd'hui.
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