Emily hizo su debut en el cine con la película Lotería del Amor (1994). Su siguiente papel destacado fue en la película escrita por Stephen King, Rose Red en 2002, luego apareció en Cold Mountain, The Alamo y Glory Road. En 2004 fue nombrada una de las "seis actrices para ver" por la revista Interview.
En 2005, protagonizó la película de terror, Boogeyman interpretando el papel de Kate Houghton. Ese mismo año Emily fue elegida para el papel del Dra. Temperance Brennan en Bones, una serie de Fox basada en la heroína de las novelas de la antropóloga forense Kathy Reichs. Por su actuación recibió una nominación al Premio Satellite (2006) y una nominación para un Teen Choice Awards (2007).Ha estado desempeñando este papel durante diez temporadas y ha ejercido, además, como co-productora desde el inicio de la tercera temporada de la serie, y como productor desde mediados de la cuarta temporada de la serie, junto con su co-estrella David Boreanaz.
Deschanel, con Alyson Hannigan, Jaime King, Minka Kelly y Katharine McPhee hizo un video de una fiesta de pijamas que apareció en FunnyorDie.com para promover controles para la detección de cáncer de mama para la organización
Deschanel es vegana y una comprometida defensora de los derechos de los animales1 Es miembro de PETA. Se la puede ver en un vídeo de Access Hollywood en el evento de lanzamiento del libro de Karen Dawn Agradeciendo al Mono: replantearse la manera en que tratamos a los animales, opinando que los vegetarianos y las dietas veganas ayudan al medio ambiente. Un vídeo en la página de su sitio web habla de la importancia de los derechos de los animales. También ha hecho el video "La cruda realidad de los lácteos", en el que compara su maternidad plácida y feliz con el sufrimiento de las vacas al serles arrebatados los terneros2
Se casó el sábado 25 de septiembre de 2010 con el escritor y actor David Hornsby durante una pequeña ceremonia privada en la zona de Pacific Palisades de Los Ángeles. El primer hijo de la pareja, Henry Lamar Hornsby, nació el 21 de septiembre de 2011. El 8 de junio de 2015, Emily Deschanel dio a luz a su segundo hijo, Calvin Hornsby.
Deschanel apareció en el puesto nº72 en el Hot 100 en 2012 AfterEllen.