Figlia degli attori Eric Thompson e Phyllida Law, Emma viene spesso stimolata dai genitori a seguire lezioni di recitazione. Laureata all'università di Cambridge, è considerata la migliore attrice inglese della sua generazione.
Nel 1985, la Thompson partecipa al revival della pièce di Noel Gay 'Me and My Girl', un clamoroso successo che le fa ottenere molte offerte di lavoro in televisione. L'anno successivo, interpreta Harriet Pringle nella serie televisiva 'Fortunes of War', il suo primo ruolo drammatico.
Nel 1989 esordisce sul grande schermo nel film "Enrico V" (1989), diretto da Branagh. Due anni dopo interpreta il thriller "L'altro delitto" (1991), diretto da Kenneth Branagh. Nel 1992, Emma vince l'Oscar come migliore attrice per il film di James Ivory "Casa Howard" e l'anno successivo è nuovamente candidata all'Academy Award con "Quel che resta del giorno" (1993) e "Nel nome del padre" (1993), di Jim Sheridan. Il secondo Oscar vinto dalla Thompson è per la sceneggiatura di "Ragione e sentimento" (1995), di Ang Lee, in cui interpreta il ruolo di Elinor Dashwood.
Nel 1998 è accanto a Jhon Travolta nel film "I colori della vittoria" e nel 2000 recita nella commedia "Maybe Baby" di Ben Elton. Segue nel 2003 "Love Actually - L'amore Davvero" insieme a Hugh Grent e Colin Firth e nel 2004 è la Professoressa Sibilla Cooman in "Harry Potter e il Prigioniero di Azkaban". Inoltre ha lavorato a due film che la vedono protagonista femminile : "Nanny McPhee" (2005) e "Vero come la finzione" (2007) di Marc Forster.