Elevée dans une famille d'artistes (Soeur de Mathilde Seigner, son père est photographe tandis que son grand-père Louis Seigner et sa tante Francoise étaient tous deux pensionnaires à la Comédie Française), Emmanuelle Seigner suit sa scolarité dans un couvent. Sa beauté magnétique se révèle dès son plus jeune âge, et elle entame, à 14 ans, une carrière dans le mannequinat. Elle fera la couverture de nombreux magazines à travers le monde. Elle fait une courte apparition, en 1984, dans L'année des méduses, et elle décide de se consacrer pleinement au cinéma après sa rencontre avec Jean-Luc Godard, qui lui offre son premier vrai rôle dans Détective (1985).

C'est sur le tournage du thriller Frantic (1988), dans lequel elle joue une mystérieuse parisienne, qu'elle fait connaissance avec Roman Polanski. Ils se marient l'année suivante. Plus discrète que sa soeur Mathilde, la comédienne se fait assez rare sur grand écran : sournoise et fatale dans Lunes de fiel (1992), elle représente l'objet du désir candide de Jean-Pierre Marielle dans Le Sourire (1994) de Claude Miller.

Après avoir été nommée au César du Meilleure second rôle pour Place Vendôme (1998), elle tourne pour la troisième fois sous la direction de son mari dans La Neuvième Porte, où elle incarne la figure humaine du Diable. Choisissant avec parcimonie ses films, elle est à l'affiche de drames tels que Corps à corps (2003) dans lequel elle campe une strip-teaseuse vivant un cauchemar ou encore Laguna (2001) aux côtés de Charles Aznavour.

Elle passe au registre de la comédie, en 2004, avec le film Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants d'Yvan Attal dans lequel elle interprète la femme d'Alain Chabat. Puis retour à un rôle plus dramatique dans Backstage d'Emmanuelle Bercot, où elle joue le rôle d'une chanteuse adulée au côté d'Isild Le Besco. Elle continue à faire des va et vient entre ces deux genres, jouant dans Le Scaphandre et le papillon de Julian Schnabel en 2007 puis dans Le Code A Changé de Danièle Thompson en 2009.

L'année suivante, la comédienne est en tête d'affiche de Chicas, le premier film de Yasmina Reza avant de jouer le (petit) rôle féminin de Essential Killing de Skolimowski, Prix du Jury de la 67e Mostra de Venise. En 2012, elle rejoint Marc-André Grondin et Gérard Depardieu au casting de la nouvelle adaptation de L'Homme qui rit de Jean-Pierre Améris, tiré du roman de Victor Hugo avant d'être Dans la maison devant la caméra de François Ozon. L'année suivante, Emmanuelle Seigner décroche le premier rôle de La Vénus à la fourrure, sa quatrième collaboration avec Polanski, aux côtés de Mathieu Amalric.

Elle retrouve son mari pour l'étrange et très mal reçu thriller D'après une Histoire Vraie, puis pour le biopic  J'accuse consacré à l'affaire Dreyfus, ici racontée du point de vue du Colonel Picquart (Jean Dujardin) cherchant à prouver l'innocence du capitaine injustement accusé.