La fille du philosophe Gilles Deleuze.

Emilie Deleuze réalise son premier court-métrage, Un homme faible, en 1984. Elle suit ensuite des études à la Fémis, dans le département réalisation, où elle a pour camarades de promotion Solveig Anspach et Christine Carriere.

Après plusieurs courts-métrages, Emilie Deleuze se fait remarquer en 1994 en réalisant pour la télévision L' Incruste, avec Claire Keim et Benoît Magimel. C'est l'avant-dernier volet, consacré à l'adolescence au début des années 80, de la série Tous les garçons et les filles de leur âge, à laquelle participent également des réalisateurs confirmés tels qu'André Techiné, Claire Denis et Olivier Assayas.

En 1999 sort son premier long-métrage, Peau neuve, avec Samuel Le Bihan, présenté au Festival de Cannes dans la section Un certain Regard, où il obtient le prix Fipresci de la critique internationale. Emilie Deleuze conte l'amitié entre un trentenaire urbain venu suivre en Corrèze une formation de conducteur d'engins de chantiers et un jeune stagiaire mal dans sa peau. Elle y révèle un talent singulier et un goût pour les grands espaces.

On retrouve ces qualités dans son second film, Mister V., sélectionné au Festival de Locarno en 2003, et dans lequel le personnage principal est un cheval. En 2001, Emilie Deleuze réalise l'un des courts-métrages du programme Pas d'histoires!, 12 regards sur le racisme au quotidien.