Эмили Дешанель родилась 11 октября 1976 года в Лос-Анджелесе. Ее отец - известный голливудский оператор Калеб Дешанель, мать - актриса Мэри Джо Дешанель. Она имеет ирландскую и французскую родословную. Также у нее есть младшая сестра Зуи Дешанель, актриса. Окончила Бостонский университет по специальности «театральное искусство» со степенью бакалавра.
Обе сестры провели детство на съемочных площадках, где научились неплохо танцевать, после школы изучали актерское мастерство в университете и успешно дебютировали в кино. Но Зуи Дешанель после первого появления на экране в фильме "Мамфорд" (1999) стала известной актрисой. А у Эмили вслед за дебютом в картине "Счастливый случай" (1994) наступила пауза, длившаяся почти шесть лет. Даже сейчас в ее послужном списке вдвое меньше фильмов, чем у младшей сестры. Долгое время Эмили оставалась в тени своих прославленных родственников.
Журналисты обычно называли ее дочерью Калеба, Мэри Джо или сестрой Зуи. Долгожданным прорывом для актрисы стала комедия "It's a Shame About Ray", а после успеха сериала "Красная роза", где Эмили сыграла одного из членов команды профессора Рирдона, исследующего паранормальные явления в особняке "Красная роза", стало ясно, что молодая актриса наконец вышла из тени знаменитых родственников. Теперь в списке актерских работ Дешанель роли в политическом триллере "The Alamo" и драме "Easy" (признав ее игру блестящей, критики сочли фильм не слишком удачным). В 2005 году Эмили снялась в мистическом триллере "Бугимен". С 2005 года Эмили снимается в сериале «Кости» в роли антрополога Темперанс Бреннан.
Совсем недавно Эмили присоединилась к веганистам - людям, которые отвергают потребление животных продуктов и не носят одежду, сделанную из шкур зверей. В последнее время Дешанель стала активисткой движения ПЕТА, выступающего за этическое отношение к животным. И теперь вместе со своими единомышленниками она борется против экспериментов над животными, рыбной ловли и содержания собак на цепи, а также собачьих и петушиных боев. "Нет ничего более отвратительного, чем собачьи бои", - заявила актриса недавно в интервью CNN.
25 сентября, 2010 года Эмили вышла замуж за сценариста и актера Дэвида Хорнcби в Лос-Анжелесе. Церемония бракосочетания прошла в кругу близких друзей и членов семьи. 31 марта 2011 года было объявлено, что супруги ожидают появление первенца. Их сын, Генри Хорнсби, родился 21 сентября 2011 года.
5 декабря 2014 года стало известно, что пара ожидает появления своего второго ребёнка. 8 июня 2015 года Эмили родила мальчика.