Emile Hirsch est né le 13 mars 1985 à Topanga Canyon, à l'ouest de Los Angeles, en Californie. Il passe une partie de son enfance à Santa Fe, au Nouveau-Mexique. Il est le fils de Margaret Davenport, une artiste et de David Hirsch, un producteur et manager. Il a également une grande soeur, Jennifer, qui l'a initié au métier d'acteur.
Acteur précoce, il commence sa carrière à l'âge de 8 ans, en jouant dans Sabrina, l'apprentie sorcière, et dans des films à petits budgets. Il joue par la suite de petits rôles dans des séries telles que The Players, les maîtres du jeu, 3ème planète après le soleil, Les jumelles s'en mêlent ou encore Profiler.
Il obtient son premier rôle au cinéma en 2001 avec le film de Peter Care, The Dangerous Lives of Altar Boys, aux côtés de Jodie Foster. Il incarne ensuite l'élève rebelle Sedgewick Bell dans la comédie dramatique Le Club des empereurs en 2003. La même année, il incarne le personnage principal de The Mudge Boy puis joue dans Imaginary Heroes. En 2004, il joue dans la comédie romantique The Girl Next Door, il n'a alors que 19 ans.
Au cours des années 2005 et 2006, il incarne Jay Adams dans le film Les Seigneurs de Dogtown qui lui vaudra une nomination aux Teen Choice Awards, et Johnny Truelove, dans Alpha Dog aux côtés de Justin Timberlake, Bruce Willis et Sharon Stone.
Mais c'est le film Into the Wild (tiré d'une histoire vraie et adapté du roman de Jon Krakauer), écrit et réalisé par Sean Penn, qui va définitivement le faire connaître et lui ouvrir de nombreuses portes. Il y joue Christopher McCandless, un jeune Américain de bonne famille et dont la vie semblait toute tracée, qui décide de tout quitter pour aller vivre seul en Alaska. La prestation d'Hirsch est plus qu'applaudie, pourtant, il ne sera pas nommé aux Oscars à la surprise générale. Cependant, il gagnera en notoriété et plusieurs prix.
Il joue le rôle principal du film
Speed Racer, un dessin animé japonais d'origine mais adapté au cinéma par les
frères Wachowski, sorti en France en juin 2008. L'acteur retrouve Sean Penn, qui incarne Harvey Milk, homme politique américain militant pour les droits civiques des homosexuels dans les années 1970, pour le film biographique
Milk de Gus Van Sant, sorti aux États-Unis le 5 décembre 2008.
En 2009, il joue également un vétéran du Vietnam dans le film d'Ang Lee sur le festival de Woodstock, Hôtel Woodstock.