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, un film de SF dans lequel il joue les meneurs d'hommes, après l'invasion de Moscou par des extraterrestres particulièrement tenaces. 

S'il n'est pas à l'affiche de films connus, Emile Hirsch est actif sur grand écran et campe en 2012 l'un des deux rôles principaux du sombre et violent Killer Joe plébiscité par la critique et réalisé par William Friedkin. L'année suivante, il reste dans le Texas avec Prince of Texas, une comédie dramatique dans laquelle il tient le haut de l'affiche avec Paul Rudd. Soldat tué chez Peter Berg dans Du sang et des larmes, l'acteur poursuit sa carrière en prenant part à des projets originaux à l'image de l'horrifique The Jane Doe Identity où il se glisse dans la peau d'un médecin-légiste confronté à des phénomènes étranges.