Emily Deschanel est née à Los Angeles, en Californie. Son père,
Caleb Deschanel, dont la famille est originaire de Lyon dans la région Rhône-Alpes, est un célèbre directeur de la photographie, maintes fois nommé aux Oscars, sa mère,
Mary Jo Deschanel (née Weir), est une actrice américano-irlandaise. Elle a une petite soeur,
Zooey Deschanel, elle aussi actrice, en plus d'être chanteuse et musicienne. Emily Deschanel a étudié à l'Université de Boston, où elle fut reçue Bachelor of Fine Arts.
D'abord mannequin, elle a commencé comme actrice avec des rôles secondaires au cinéma et dans des séries. Sa première apparition date de 1994 dans le film Milliardaire malgré lui avec
Nicolas Cage et elle a depuis tourné dans une dizaine de films de cinéma, dont en 2004 dans le film
Retour à Cold Mountain avec
Nicole Kidman et
Jude Law où elle fait une apparition.
En 2001, elle apparaît dans un épisode de la série télévisée New York unité spéciale, mais c'est son rôle principal aux côtés de
David Boreanaz dans la série Bones depuis 2005 qui l'a rendue célèbre. Elle a été nommée pour son interprétation aux Satellite Awards, en 2006, dans la catégorie Meilleur Actrice dans une série dramatique.