Emma de Caunes est la fille d'Antoine de Caunes présentateur de télévision puis acteur et réalisateur. Elle est issue d'une lignée de gens du spectacle, elle s'oriente naturellement vers la comédie. C'est Sylvie Verheyde qui en 1997 avec Un frère lui offre son premier grand rôle. sa prestation lui vaut le César du meilleur espoir féminin. La même année sortent deux films plus comiques La voie est libre et Restons groupés.

En 1998, elle tourne Mille Bornes d'Alain Beigel mais c'est surtout l'occasion pour elle de réaliser Le nombril de l'univers son premier court métrage. En 1999, elle retrouve Sylvie Verheyde pour Princesses. La même année, elle joue sous la direction d'Olivier Jahan pour Faites comme si je n'étais pas là. Si elle apparaît en 2002 dans la super production française Astérix & Obélix : mission Cléopâtre, réalisée par Alain Chabat, elle semble surtout s'orienter vers le cinéma d'auteur, des Amants du Nil au dérangeant Ma mère (2003), adaptation de Bataille par Christophe Honoré, ainsi que La science des rêves (2005) de Michel Gondry. 

On la retrouve ensuite dans plusieurs films bien différents où elle tient un second rôle : Les Vacances de Mr. Bean (2007), Le Scaphandre et le papillon (id.) ou encore Coluche, l’histoire d’un mec (2008) réalisé par Antoine de Caunes. La comédienne est également l’héroïne d’un feuilleton télévisé, Rien dans les poches, aux côtés de nombreux acteurs connus dont Nicolas Duvauchelle et Pio Marmaï. Elle poursuit pour la télévision avec les téléfilms Sweet Dream, Faux Coupable et Lanester. En 2014, Emma de Caunes revient au cinéma dans l'envoutant et mystérieux La Dune, aux côtés de pointures comme Niels Arestrup et Guy Marchand.

L'année suivante, Olivier Jahan lui offre l'un de ses plus beaux rôles dans son drame Les Châteaux de sable, celui d'une femme brisée qui, suite à la mort de son père, doit vendre la maison familiale.