Emily Deschanel è californiana di nascita, con discendenze francesi e irlandesi. Il padre, Caleb Deschanel, è un famoso regista mentre la madre Mary Jo Deschanel e la sorella Zooey sono attrici come lei. Emily studia e si laurea in Recitazione presso l'università di Boston. Dopo varie apparizioni televisive (Crossing Jordan, Providence, Law & Order: Special Victim Unit) e ruoli secondari al cinema (Boogeyman, Spider-Man 2, Cold Mountain, The Alamo) viene scelta nel 2005 come protagonista femminile della serie televisiva Bones, di cui è divenuta anche co-produttrice. Emily ora è nel cast della commedia The Perfect Family, in uscita nel 2012. Emily è molto amica di Jorja Fox (C.S.I.), Melanie Linskey (Due Uomini e mezzo) e Michaela Conlin, sua partner in Bones nel ruolo di Angela Montenegro. Vive tra Los Angeles e New York. Per la sua interpretazione in Bones ha ricevuto la nomination sia ai Satellite Award che ai Teen Choice Award.