Pendant ses jeunes années, Emma Roberts a passé beaucoup de temps sur les plateaux de cinéma auprès de sa tante Julia Roberts. Bien que sa mère ait voulu qu'elle ait une enfance normale, Emma fait ses débuts d'actrice à l'âge de neuf ans dans
Blow de Ted Demme en 2001. Ce fût le premier film pour lequel elle a auditionné. Elle y incarne Kristina Jung, la fille du personnage de Johnny Depp, George Jung, passeur de cocaïne. En 2001, Emma Roberts obtient un rôle dans le court métrage BigLove de Leif Tilden (dans lequel joue également son futur beau-père, Kelly Nickels), et a également participé à certaines scènes de America's Sweethearts avec sa tante Julia Roberts, scènes pour lesquelles elle n'a pas été créditée.
Elle enchaîne par des petits rôles dans deux comédies familiales : le Grand Champion en 2002, dans le rôle de la soeur du personnage principal (Jacob Fisher), et Spymate en 2003, dans celui de la fille d'un ancien agent secret (Chris Potter) qui tente de la secourir avec l'aide d'un singe espion suite à son kidnapping.
A partir de septembre 2004, Emma Roberts devient une idole pour adolescents à l'âge de treize ans, grâce au rôle principal qu'elle tient dans la série Allie Singer (Unfabulous en anglais). Cette sitcom pour ados a remporté plusieurs nominations aux Teen Choice Awards et aux Young Artist Awards. Comme le personnage interprété par Emma écrit des chansons et joue de la guitare, la chaîne Nickelodeon, qui diffuse la série, pense alors à elle pour faire une carrière comparable à celles de Hilary Duff ou de Lindsay Lohan. En 2005, sort un album tiré de la série (intitulé Unfaboulous and more), ce qui lui ouvre les portes de Disney pour qui elle interprète la chanson du film Ice Princess.
En 2006, Emma Roberts est de retour sur grand écran dans Aquamarine, aux côtés de Sara Paxton et de la chanteuse JoJo. Elle a remporté pour son rôle un prix de la Young Artist Award (meilleure performance dans un film - second rôle féminin) en 2007. Elle participe également à la BO du film, avec une reprise de la chanson "Island in the sun" de Weezer.
En 2007, elle déclare arrêter la chanson pour se concentrer sur sa carrière d'actrice. Elle estime qu'elle ne peut mener les deux de front et préfère choisir la voie dans laquelle elle s'estime la meilleure. La même année, elle obtient le rôle principal dans le film
Nancy Drew. L'année suivante, elle à nouveau en tête d'affiche avec la comédie Wild Child. Puis en 2009 dans Palace pour chiens, où elle joue aux côtés de Jake T. Austin, une des vedettes de la série les Sorciers de Waverly Place.
En 2010, elle obtient un rôle dans le film Valentine's Day, dans laquelle sa tante Julia Roberts fait une apparition. Elle décroche aussi le rôle principal dans
Twelve et joue dans It's Kind of a Funny Story.
En 2011, elle sera à l'affiche de Scream 4 de Wes Craven aux côtés de Neve Campbell, dont elle jouera la cousine.