Soeur aînée de l'actrice Zooey Deschanel, Emily Erin Deschanel étudie à l'Université de Boston, où elle obtient le BFA (Bachelor of Fine Arts)… en cinéma. Avec un père directeur de la photographie (Caleb Deschanel) et une mère comédienne (Mary Jo Deschanel), la jeune femme pouvait difficilement échapper au monde du spectacle. Même si elle fait une apparition en 1994 dans Milliardaire malgré lui, un long métrage avec Nicolas Cage et Bridget Fonda sur lequel travaille son paternel, elle attendra quelques années avant de se lancer.

D'abord mannequin, Emily Deschanel décroche son premier vrai rôle à l’écran dans The Heart Department, un pilote de série médicale destiné à CBS. Ce projet avec Felicity Huffman et Tony Shalhoub en tête d’affiche n’étant finalement pas sélectionné par la chaîne, elle participe à plusieurs séries : New York Unité Spéciale, Providence et la saga de Stephen King Rose Red. En 2003, elle joue dans la comédie romantique Easy, fait son Retour à Cold Mountain et apparaît en guest-star dans Preuve à l'appui. Réceptionniste dans le 2ème volet de Spider-Man, elle plonge en plein cauchemar avec Boogeyman, un thriller horrifique signé par le futur créateur de Supernatural, qui lui offre ici son premier rôle important. Mais c’est celui de l'anthropologue judiciaire Temperance Brennan, dans la série Bones, qui lui vaut une gloire internationale. La comédienne compose avec son partenaire David Boreanaz un duo attachant, chargé d’identifier les squelettes de personnes décédées et de reconstituer la vie et les circonstances de la mort afin de démasquer le coupable. Sa prestation dans Bones lui vaut d'être nommée aux Satellite Awards en 2006 dans la catégorie "Meilleure actrice dans une série dramatique".

Cette soudaine popularité permet à Emily Deschanel de choisir judicieusement ses rôles sur le grand écran. Elle profite des vacances estivales du show de la Fox pour tourner Les Chemins du triomphe et Ma vie pour la tienne, de Nick Cassavetes. En 2011, elle est une brillante avocate dans The Perfect Family, avec Kathleen Turner et Jason Ritter.