Emmanuelle Devos grandit à Paris et suit sa mère, l'actrice Marie Henriau (ainsi que son père, Jean-Michel Devos, qui travaille également dans le milieu théâtral), sur les plateaux de cinéma et de théâtre dès son plus jeune âge. Elle dit avoir été très impressionnée par Jeanne Moreau sur le tournage de son film Lumière en 19763, la décidant un peu plus à choisir cette carrière. Elle passe ensuite par le cours Florent, avec Francis Huster comme professeur qui lui donne un petit rôle en 1986 dans On a volé Charlie Spencer !. Elle suit ensuite des ateliers d'acteurs de la Fémis où elle rencontre Noémie Lvovsky, qui lui fait tourner son premier court-métrage, et surtout Arnaud Desplechin avec lequel elle fait son premier film, La Vie des morts, en 1991. Desplechin devient son cinéaste fétiche, accompagnant dès lors l'ensemble de sa carrière.
La consécration arrive avec le film de Jacques Audiard, Sur mes lèvres, dans lequel elle interprète une secrétaire atteinte de surdité qui aide un petit malfrat, interprété par Vincent Cassel à dérober une importante somme d'argent. Pour ce rôle, elle gagne le César de la meilleure actrice en 2002, soufflant la récompense à la favorite Audrey Tautou, nommée pour Le Fabuleux Destin d'Amélie Poulain.
En 2006, elle est membre du jury du 59e Festival de Locarno.
À l'origine de Xavier Giannoli, où elle incarne une maire du Nord de la France qui s'éprend d'un escroc incarné par François Cluzet, lui vaut un nouveau César en 2010 : celui du meilleur second rôle.
En octobre 2011, Emmanuelle Devos est jurée au Festival du film britannique de Dinard. Elle fait ensuite partie du jury du 65e Festival de Cannes, présidé par Nanni Moretti.
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“ Écouter et entendre, ces deux verbes que tout oppose. Devos et Cassel sont assourdissants de justesse. L'amour fait la sourde oreille. ”— chloeeee12 novembre 2013
“ Le film n'est jamais aussi bon que lorsqu'il est dans l'urgence du désir et des décisions à prendre. Devos est magistrale. ”— sgabedou26 décembre 2013
“ J'adore Emmanuelle Devos, mais filmer un quotidien romancé sans véritablement d'intrigue et les conversations de comère m'ennuient. ”— ProfilSupprime 6 juin 2014