Эмили Дешанель родилась в Лос-Анджелесе в семье номината премии «Оскар» кинооператора Калеба Дешанель и актрисы Мэри Джо Дешанель. Имеет ирландско-французское происхождение. Также у нее есть сестра Зоуи Дешанель, актриса.

Окончила Бостонский университет по специальности «театральное искусство» со степенью бакалавра. Является вегетарианкой и участницей движения PETA.

Эмили дебютировала в фильме «Счастливый случай» в 1994 году. А после успеха экранизации романа Стивена Кинга «Красная роза» (2002 год) приняла участие в съемках фильмов «Холодная гора» (2003 год), «Аламо» (2004 год) и «Человек-паук 2» (2004 год), после чего была отмечена в рейтингах журнала Interview Magazine среди шести актрис, на которых стоило обратить внимание в 2004 году.

Сыграв в 2005 году в «Бугимене», Дешанель была приглашена на роль доктора Темперанс Бреннан в телесериале «Кости» компании FOX. За эту роль актриса удостоилась номинаций на Satellite Award в 2006 году и на Teen Choice Awards в 2007-м. Начиная с третьего сезона сериала, Эмили попробовала себя в качестве его продюсера.

В 2009 году Эмили вместе с Камерон Диаз, Эбигейл Бреслин и Алеком Болдуином снялась в фильме «Мой ангел-хранитель».

В 2011 году на экраны вышел фильм под названием «Идеальная семья», главную роль в котором сыграла Эмили Дешанель.В 2012 году вышел фильм «Как я стала слоном», ассоциированным продюсером которого выступила Эмили.