Emily nasceu em Los Angeles, Califórnia, filha do famoso diretor de fotografia Caleb Deschanel.
Entre os seus trabalhos mais recentes estão filmes de sucesso, como Cold Mountain, de Anthony Minghella e Spider-Man 2, de Sam Raimi. Em outubro de 2004 foi citada pela revista Interview como um dos seis atores jovens mais promissores do mercado. Também destacou-se no filme Glory Road, co-estrelado por Josh Lucas e Derek Luke e produzido por Jerry Bruckheimer.
Participou do Festival Internacional de Toronto de 2003 e do Sundance em 2004 com o filme independente Easy, dirigido por Jane Weinstock.
Na televisão, a atriz fez participações especiais nas séries Crossing Jordan, Providence e Law & Order: SVU. No teatro, Deschanel, membro da Interact Theatre Company, destacou-se nas peças Our Town e Três Irmãs.
De 2005 a 2017 participou da série de televisão Bones, apresentada pela FOX.
Em 2019 entrou para a 4º temporada da série Animal Kingdom exibida pelo canal TNT.
Vida pessoal
Emily é defensora de causas pelos direitos dos animais e é vegan. Ela pode ser vista em um vídeo Access Hollywood no evento do lançamento do livro de Karen Dawn Agradecendo: repensar na forma como tratamos os animais, vivendo como vegetarianos e colaborando com dietas que ajudam o meio ambiente.
Em 25 de setembro de 2010 casou-se em segredo com o ator, roteirista e diretor David Hornsby. A cerimónia aconteceu na casa dos pais dela em Los Angeles. O casamento pegou de surpresa os fãs e inclusive a imprensa e teve sua receção totalmente vegan.
Em 31 de março a revista norte-americana People divulgou a sua gravidez, confirmada por sua irmã Zooey Deschanel via Twitter. Em 21 de setembro de 2011 Emily deu à luz um menino chamado Henry Hornsby, fruto de seu relacionamento com David Hornsby. E, em junho de 2015, deu à luz o seu segundo filho, Calvin Hornsby.
