Emma Luchini est la fille du comédien Fabrice Luchini et la compagne de Nicolas Rey, un écrivain français. Désirant devenir artiste, elle suit des cours d'arts plastiques et commence à travailler comme graphiste. En 1999, elle tourne une vidéo comme coup d'essai, "Tout le monde s'appelle Victor", avant de devenir assistante pour la mise en scène sur des longs-métrages.

Emma Luchini se lance dans la réalisation en 2007 avec un premier court-métrage intitulé Sur ses deux oreilles. Deux ans plus tard, elle dirige Vincent Elbaz et Louise Bourgoin dans son long-métrage, Sweet Valentine, une comédie dramatique. En 2011, elle repasse de l'autre côté de la caméra en interprétant son propre rôle dans la comédie romantique L'Amour dure trois ans de Frederic Beigbeder.

Après trois ans d'absence, Emma Luchini collabore en 2014 avec son compagnon, Nicolas Rey, sur son nouveau court-métrage, La Femme de Rio. L'écrivain y tient d'ailleurs le rôle principal. Un film remarqué qui vaut au duo de remporter le César du Meilleur court-métrage en 2015. 

La même année, Emma Luchini met en scène son père, Fabrice Luchini, dans son deuxième long-métrage, Un début prometteur, mais aussi Manu Payet, Zacharie Chasseriaud et Veerle Baetens. Son film est une adaptation du roman de Nicolas Rey et raconte l'histoire de Martin, qui vient de sortir de cure et retourne vivre chez son père. Il y retrouve son frère Gabriel, âgé de 16 ans, qu'il va tenter de dégoûter de l'amour. Mais c'est sans compter sur l'arrivée de Mathilde, une jeune femme mystérieuse, qui va chambouler leur vie...