Née dans une modeste famille ouvrière des Vosges, la jeune fille ne peut se satisfaire du métier de couturière qui lui semble destiné. Grande lectrice d'oeuvres théâtrales, elle se joint à une petite troupe amateur de Remiremont. Convaincue de ses aptitudes et malgré l'opposition de sa famille, elle passe le concours de l'école de la rue Blanche. Reçue, elle monte à Paris en 1953, et obtient une bourse d'études. Elle est alors l'élève de
Jean Meyer.
Trop âgée pour prétendre à la formation prestigieuse du Conservatoire d'art dramatique, elle obtient son premier rôle dans Le Héros et le Soldat, de George Bernard Shaw, dans une mise en scène de René Dupuy.
C'est en la découvrant sur l'affiche de L'Épouvantail - une pièce de Dominique Rolin, mise en scène par André Barsacq - qu'
Alain Resnais l'imagine pour son premier film :
Hiroshima mon amour la fera mondialement connaître.
En septembre 1958, avant le tournage, treize ans après l'explosion de la bombe du 6 août 1945, Emmanuelle Riva parcourt les rues de la ville martyre avec son appareil photo Ricohflex et en saisit la vie retrouvée. Ces photos illustreront l'ouvrage collectif Tu n'as rien vu à Hiroshima.
Emmanuelle Riva a aussi publié trois recueils de poèmes : Juste derrière le sifflet des trains (1969, réédité en 1976), Le Feu des miroirs (1975) et L'Otage du désir (1982).