Die Tochter des Schauspielerehepaares Heinrich Schroth und Käthe Haack absolvierte bis 1938 eine Schauspielausbildung in Lausanne. Hannelore Schroths Halbbruder war der Schauspieler Carl-Heinz Schroth. Als Kind trat sie erstmals mit ihrer Mutter auf. 1938 kam der erste große Erfolg mit Spiel im Sommerwind. Trotz zahlreicher Auftritte in Film und Fernsehen fand sie in der Folgezeit immer wieder den Weg zur Bühne und erhielt Theaterengagements in Wien, Düsseldorf, Hamburg, Berlin und München. Für ihre Bühnentätigkeit erhielt sie 1969 den Großen Bad-Hersfeld-Preis und für ihre Filmarbeit 1980 das Filmband in Gold.

Daneben war Hannelore Schroth umfangreich in der Synchronisation tätig. So lieh sie ihre Stimme Paulette Goddard , Gina Lollobrigida , Shirley MacLaine oder Elizabeth Taylor . Ebenso versuchte sie sich als Sängerin französischer Chansons und veröffentlichte einige LPs mit Lesungen von Werken Ephraim Kishons gemeinsam mit Friedrich Torberg. In erster Ehe war Hannelore Schroth mit Carl Raddatz verheiratet, in zweiter Ehe mit dem österreichischen Tauchpionier Hans Hass. Ihr Sohn aus dieser Ehe, Hans Hass jr. , war zeitweilig als Schauspieler und Schlagersänger erfolgreich. Aus der dritten Ehe mit dem Rechtsanwalt und Filmproduzenten Peter Köster entstammte ein weiterer Sohn, Christoph Kantapper Köster .

Hannelore Schroth wurde neben ihrer im Vorjahr verstorbenen Mutter Käthe Haack auf dem landeseigenen Friedhof Heerstraße im heutigen Berliner Ortsteil Westend beigesetzt. Auch der Sohn Christoph fand dort im Jahr 2012 seine letzte Ruhe.