Né d’un père producteur et d’une mère artiste, Emile Hirsch grandit à Santa Fe, au Nouveau-Mexique. Sa carrière précoce débute à l’âge de 11 ans, lorsqu’il commence à tourner dans des épisodes de séries télévisées. Après une première expérience en 1996 dans la série Kindred : Le Clan des Maudits, il accumule les petits rôles dans des séries majeures des années 90 (3ème planète après le soleil, Demain à la Une, The Players, les maîtres du jeu, Les jumelles s'en mêlent, Le Caméléon, Profiler, Urgences).
Hirsch fait ses débuts au cinéma en 2002, dans The Dangerous Lives of Altar Boys, une comédie dans laquelle il partage l’affiche avec Jodie Foster et Vincent D'Onofrio. Membre du Club des empereurs, sa prestation lui vaut sa première nomination à un prix (Young Artist Award). En 2004, il tombe sous le charme d’Elisha Cuthbert dans Girl Next Door, avant d’incarner l'un des ados rebelles dans Les Seigneurs de Dogtown (il interprète une légende du skate-board des années 70, Jay Adams). Dans un registre proche, il tourne dans le Alpha Dog de Nick Cassavetes, où il campe un détestable dealer des quartiers riches de Californie.
Mais il faut attendre 2007 pour la consécration. Sous la direction de Sean Penn, il part sur la route d'Into the Wild, l’histoire vraie de Christopher McCandless, un jeune aventurier qui décide de tout quitter pour voyager et vivre dans la nature. Ce succès critique et public lui apporte une reconnaissance mondiale et de nombreux prix : meilleur acteur au Mill Valley Film Festival, meilleure performance au National Board of Review, et le prix de la star montante au Palm Spring International Film Festival. Il est alors engagé pour incarner un pilote de courses dans Speed Racer, le nouveau film des créateurs de Matrix. Malheureusement, le film est un échec à la fois commercial et critique.
Après cette incursion dans le monde des grosses productions hollywoodiennes, il revient à un cinéma plus indépendant. Emile Hirsch participe à l’engagé Harvey Milk où il retrouve Sean Penn, avant de prendre fait et cause pour les hippies dans Hôtel Woodstock d’Ang Lee. En 2012, il est à l’affiche de The Darkest Hour, son premier film de science-fiction. Hirsch y joue les héros et les meneurs d'hommes, après l'invasion de Moscou par des extraterrestres particulièrement tenaces.