Fils de Martin Sheen et frère aîné de Charlie Sheen.

Emilio Estevez entame sa carrière d'acteur à l'âge de 18 ans et fait une interprétation remarquée dans Outsiders de Francis Ford Coppola. Le succès du film le propulse du jour au lendemain au rang de jeune espoir hollywoodien. En 1985, Emilio Estevez participe à plusieurs projets. Il adapte et joue dans le thriller That was then... this is now avec Morgan Freeman et prête ses traits à un jeune lycéen rebelle dans The Breakfast Club. La même année, sa notoriété se confirme grâce à St. Elmor's Fire, et Repo Man d'Alex Cox, dans lequel il tient le premier rôle vedette.

L'année suivante, Emilio Estevez prouve l'étendu de ses talents en réalisant et en écrivant le scénario du drame Wisdom, dans lequel il joue auprès de Demi Moore, sa compagne de l'époque. Sous la direction de Stephen King, il interprète le rôle principal dans Maximum Overdrive, un film mêlant horreur et science fiction, puis enchaîne avec la comédie policière Etroite surveillance (avec Richard Dreyfuss). Young Guns et sa suite, Young guns 2, permettent à l'acteur de découvrir l'univers du western. Entretemps, il réalise, interpréte et écrit le thriller Men at work et fait tourner son père Martin Sheen.

Dans les années 90, il s'essaie à la science-fiction (Freejack), donne dans la comédie familiale (Les Petits champions) et retrouve Richard Dreyfuss dans Indiscrétion assurée. Il produit et signe The War at Home, un drame avec Charlie Sheen, qu'il retrouvera une fois de plus, à l'occasion du tournage de Classé X.

Les années 2000 permettent à l'acteur de s'essayer à la réalisation pour le petit écran. Après avoir tourné dans le western Sand, Emilio Estevez se lance dans la réalisation des épisodes des séries télévisées telles que Le Protecteur , Les Experts : Manhattan, Cold Case : affaires classées (Cold Case), Juste cause. En 2006, Emilio Estevez livre son cinquième long métrage Bobby, où il rend hommage à Robert F. Kennedy.