Fille de l'écrivain et scénariste anglais John Mortimer (1923-2009) , Emily Mortimer étudie la langue russe à l'université d'Oxford. Elle reçoit son diplôme en 1994, avant d'étudier l'art dramatique au Moscow Arts Theatre School.
Elle devient d'abord scénariste et journaliste pour The Daily Telegraph , puis débute en tant qu'actrice au théâtre et à la télévision, dans des séries télévisées populaires au Royaume-Uni.
Sa carrière débute lorsqu'elle apparaît dans plusieurs productions théâtrales bien accueillies, comme The Lights au Royal Court Theatre et Le Marchand de Venise au Lyceum Theatre d'Édimbourg. Elle s'est également distinguée au sein de l'équipe de comédiens de Bright Young Things.
En 1996, elle fait ses débuts au cinéma en incarnant l'épouse de Val Kilmer dans le film d'aventure L'Ombre et la proie. Par la suite, elle parvient à se faire remarquer en enchaînant plusieurs films comme
Le Saint, où elle côtoie de nouveau Val Kilmer,
Elizabeth, Coup de foudre à Notting Hill et fait même ses débuts aux États-Unis dans le film d'horreur Scream 3 et la comédie familiale Sale Môme, où elle partage la vedette avec Bruce Willis.
Elle a tourné sous la direction de Kenneth Branagh dans Peines d'amour perdues, durant lequel elle rencontre celui qui deviendra son époux, Alessandro Nivola.
Ce n'est pourtant qu'en 2001 qu'elle décroche un premier grand rôle dans la comédie Lovely & Amazing, saluée par la critique et qui a obtenu un succès au Festival de Toronto, où sa prestation lui vaut d'obtenir l'Independent Spirit Award de la meilleure actrice dans un second rôle. Partageant sa vie entre les États-Unis et le Royaume-Uni, elle enchaîne les films, notamment en incarnant une criminelle dans Le 51e État, en étant la partenaire d'Ewan McGregor dans
Young Adam et en devenant la mère d'un enfant d'un enfant muet dans Dear Frankie.
La consécration venant du public viendra en 2005 avec Match Point, de Woody Allen, où elle incarne la petite amie trompée de Jonathan Rhys-Meyers. Le film obtient un énorme succès en salles et les éloges de la critique.
Elle alterne grosses productions, comme La Panthère Rose et sa suite et films d'auteur ou film à distribution limité comme Paris, je t'aime, Transsibérien et Une fiancée pas comme les autres, où elle devient la belle-soeur de Ryan Gosling, qui lui vaut d'être nommée au Satellite Award de la meilleure actrice dans un rôle secondaire, tout en continuant à tourner pour la télévision, notamment trois épisodes de la série humoristique 30 Rock.
Récemment, elle a participé à deux thrillers, étant tour à tour un inspecteur de police dans Harry Brown et une patiente d'un hôpital psychiatrique dans Shutter Island, de Martin Scorsese.
Elle est mariée depuis 2003 à l'acteur américain Alessandro Nivola, rencontré sur le tournage de Peines d'amour perdues, avec lequel elle a eu deux enfants (Samuel John, né en septembre 2003 et May Rose, née en janvier 2010).
Depuis 2010, elle est naturalisée américaine afin d'éviter de payer des droits de successions dans le cas où quelque chose arrive à son mari. Mortimer est athée.