Après deux ans de formation et un stage à France Inter, elle est recrutée par France 2 pour la Coupe du monde de football de 1998. Cette même année, elle obtient un poste de journaliste sur la chaîne TV InfoSport.
 
En 2001, elle marque ses vrais débuts en tant que présentatrice avec Foot et prolongations sur TPS Star.
 
En 2002, elle présente ses premiers directs le soir des matchs de Ligue 1 commentés par Jean-Philippe Goron et Raymond Domenech qui seront remplacés par Christophe Josse et Jean-Luc Arribart en 2004.
 
En 2004, elle rejoint l'équipe des présentateurs de Téléfoot (TF1) et de On refait le match (RTL). Estelle Denis a également présenté entre 2003 et 2004 Star Mag sur TPS Star, émission sur le cinéma.
 
En 2005, M6 lui propose de présenter sa nouvelle émission 100 % Foot. Elle anime avec la même équipe 100 % Coupe du monde, un talk-show sur l’événement pendant la durée de la Coupe du monde de football de 2006 en Allemagne.
 
En 2006, elle présente le Tournoi des as sur Paris Première, un tournoi de poker qui oppose stars et professionnels du jeu.
 
À partir de février 2007, lors de la campagne présidentielle française, elle anime l'émission 5 ans avec sur M6, une émission politique qui tente de délier la langue de bois des candidats à l'Élysée par des questions directes et originales. Lorsqu'on lui demande si elle est bien dans son créneau avec cette émission, elle répond : « Il n'y a pas de frontière entre les différentes spécialités du métier de journaliste ».
 
Toujours en 2007, elle fait une apparition dans la série Off Prime, avec la présentatrice et comédienne belge Virginie Efira, incarnant ainsi son propre rôle.
 
À partir de février 2008, elle présente 100 % Mag, une émission quotidienne à 18 h 50 traitant des peoples et de divers sujets de société.
 
Au mois de juin 2009, elle termine à la 203e place du Main Event, le championnat du monde de poker, qui comptait 6 494 inscrits et remporte la somme de 37 000 $ dans le tournoi le plus prestigieux au monde d'un droit d'entrée de 10 000 $.
 
En 2010, elle présente avec Jérôme Anthony et Camille Combal, l'émission Nouvelle Star, ça continue diffusée juste après les primes de la Nouvelle Star.
 
À la fin de l'année 2010, elle participe au WPT du Seven Casino d'Amnéville où elle termine 17e et remporte la somme de 13 500 euros.
 
À partir de 2011, elle présente sur W9 une émission de poker : Carrément Poker : filles vs garçons.
 
À la rentrée 2012, elle quitte M6 et 100 % Mag pour rejoindre TF1 et animer une émission hebdomadaire2.
 
Elle fait sa rentrée sur TF1 le 19 janvier 2013 avec Samedi soir on chante…, une nouvelle émission de divertissement consacrée pour sa première émission au répertoire de Jean-Jacques Goldman.
 
En novembre 2012, elle devient ambassadrice du site de poker en ligne barrierepoker.fr et intègre la Team Pro barriere.
 
Le 8 février 2013, elle est de retour sur TF1 avec un nouveau jeu : Splash : Le Grand Plongeon, une émission qu'elle coanime avec Julie Taton et Gérard Vivès, adapté de Celebrity Splash.
 
Le 8 mars 2013, elle participe au Grand Concours des animateurs sur TF1, qu'elle remporte.
 
Le 12 avril 2013, elle joue une vendeuse de chaussures dans l'émission Sosie ! Or Not Sosie ?.
 
Le 1er juin 2013, elle anime Samedi soir on chante… France Gall sur TF1.
 
À l'origine, elle était venue sur TF1 pour un programme nommé The Audience, mais le projet a été abandonné. Cependant, ayant signé un contrat pour un certain nombre de primes, TF1 lui confie The Best, le meilleur artiste diffusé à partir du 26 juillet 2013.
 
Elle participe à Toute la télé chante pour Sidaction en 2014 sur France 2.
 
Durant la Coupe du monde de 2014, Estelle Denis présente Le Mag, de la coupe du Monde aux côtés de Denis Brogniart et Frank Lebœuf. Elle présente aussi le magazine L'après match sur MYTF1, assistée de Lionel Charbonnier, Christophe Abel et Dominique Grimault plus un invité surprise.
 
Le 12 septembre 2015, elle remporte, pour la deuxième fois, le trophée de l'émission Le Grand Concours des animateurs.
 
Elle participe désormais à l'émission de radio Les pieds dans le plat en tant que chroniqueuse où elle anime la rubrique « Les potins de la mère Denis » et remplace occasionnellement Cyril Hanouna.
 
En 2015, elle est annoncée comme étant l'animatrice du retour de Vis ma vie sur NT1 3, mais le 29 septembre 2015, après de nombreuses rumeurs, il est annoncé qu'elle quitte officiellement le groupe TF1, et rejoint D8 pour y animer un talk-show sportif quotidien appelé Touche pas à mon sport ! produit par H2O Productions, la société de production de Cyril Hanouna4. En décembre 2015 elle arrive au côté de Cyril Hanouna dans Touche pas à mon poste ! en tant que chroniqueuse. Puis en 2016, elle reprend les commandes de l’œuf où la poule, présenté auparavant par Camille Combal.
 
Le 29 Juin 2016, Le blog médias « TV Scan » la nomme animatrice jeu de l'année (47 %) des suffrages devant Valérie Bénaim et Laurence Boccolini avec 22 % et Carole Rousseau, 9 %.
 
En 2016, à la rentrée des nouvelles émissions de la chaine C8 (anciennement D8), son émission Touche pas à mon sport devient hebdomadaire le samedi à 17h15.