Emily Mortimer est la fille de l'écrivain anglais John Mortimer.

Après avoir suivi ses études au prestigieux St Paul College, elle obtient un diplôme de russe à l'université d'Oxford. Elle développe son goût pour les lettres en débutant comme scénariste ainsi que journaliste pour le London Telegraph. Elle commence alors sa carrière d'actrice au théâtre et à la télévision. Elle commence ainsi dans des épisodes ponctuels de séries, avant de tenir un petit rôle dans Sharpe's Sword, l'adaptation télé de la nouvelle éponyme de Bernard Cornwell, située en 1812. S'ensuit le téléfilm Lord of Misrule, portrait de l'Angleterre de 1996, qui lui permet de tenir un rôle de premier plan face à Rosemary Martin.

Elle obtient son premier grand rôle au cinéma en jouant la femme de Val Kilmer dans L' Ombre et la proie en 1996. Elle enchaîne ensuite avec plusieurs rôles qui lui permettent d'acquérir une réputation internationale : elle apparaît dans le film en costumes à succès Elizabeth en 1998 ; l'année suivante Hugh Grant la quitte à l'écran dans Coup de foudre à Notting Hill, puis elle fait ses débuts dans le cinéma d'épouvante avec Scream 3.

En 2000, Emily Mortimer joue dans l'adaptation shakespearienne de Peines d'amour perdues pour Kenneth Branagh, auprès d' Alessandro Nivola, qui deviendra son mari à la ville. L'année suivante elle tient les devants de la scène avec pour partenaire Bruce Willis dans Sale môme et Samuel L. Jackson dans Le 51e Etat. Elle est acclamée pour sa prestation dans Lovely & Amazing (2001), dans lequel elle joue une jeune femme désirant devenir actrice, mais handicapée par sa timidité et sa fragilité.

Elle obtient le rôle de mère aimante, obligée de mentir à son fils sourd et muet sur l'absence de son père dans Dear Frankie (2004), mais c'est en pénétrant dans l'univers de Woody Allen que le visage d'Emily Mortimer devient familier du grand public avec Match point, important succès critique et commercial, film tourné à Londres, dans l'atmosphère de son Angleterre natale. En 2006, elle est à l'affiche de La Panthère Rose, le remake du classique de Blake Edwards et de sa suite en 2009 : La Panthère Rose 2. Pendant un temps, elle arrête les comédies pour se recentrer sur le drame, non sans une touche d'humour dans Une fiancée pas comme les autres de Craig Gillespie, ou La Théorie du Chaos, dans lequel elle joue la femme qui bouleverse la vie bien réglée de Ryan Reynolds.

Par la suite, Emily Mortimer fête ses retrouvailles avec Andy Garcia (après La Panthère Rose 2) pour City Island, une comédie déjantée sur une famille dont les membres se cachent leurs petits travers. En 2010, Martin Scorsese fait appel à elle pour Shutter Island, dans lequel elle joue à plus d'un titre la comédie. Changement d'ambiance lorsqu'elle interprète l'inspectrice Frampton, confrontée à la banalisation de la violence dans le polar Harry Brown. Plus habituée aux femmes fragiles, elle incarne pourtant une autre femme forte avec Leonie Gilmour, une journaliste du début des années 1920 dans Leonie, du japonais Hisako Matsui (film non sorti en salles en France).

Saisissant toutes les opportunités qui s'offrent à elle, Mortimer retourne à la comédie en jouant une des sœurs de Paul Rudd dans My Idiot Brother, signe une voix pour le film d'animation Cars 2 et tourne pour la deuxième fois avec Martin Scorsese pour Hugo Cabret.