Fille de comédiens, Emmanuelle Devos quitte le lycée en classe de première pour se consacrer au théâtre. Elève au cours Florent, elle y a pour professeur Francis Huster, qui lui offre sa première apparition à l'écran dans On a volé Charlie Spencer ! en 1986. Proche de la jeune génération de cinéastes issus de la Fémis, elle tourne dans les premières oeuvres de deux de ses plus brillants représentants : Noémie Lvovsky (le court Dis-moi oui, dis-moi non en 1989) et Arnaud Desplechin (le moyen-métrage La Vie des morts en 1990).
Aux côtés d'Emmanuel Salinger ou Marianne Denicourt, Emmanuelle Devos devient une des figures familières de l'univers de Desplechin : à l'intérieur du choral Comment je me suis disputé... (ma vie sexuelle), ses émouvants monologues lui valent une nomination au César du Meilleur espoir féminin en 1997. Cérébrale et charnelle à la fois, l'actrice tient des seconds rôles dans les films de plusieurs jeunes auteurs (Lvovsky avec Oublie-moi, Sophie Fillières avec Aïe), et fait quelques incursions dans un cinéma plus grand public (Le Déménagement, Peut-être).
Emmanuelle Devos connaît la consécration en 2001 avec Sur mes lèvres, le thriller encensé de Jacques Audiard : sa composition de secrétaire sourde et complexée lui vaut le César de la Meilleure actrice. Elle enchaîne avec L'Adversaire, d'après Emmanuel Carrère, dans lequel elle campe la maîtresse de Daniel Auteuil, son partenaire dans l'ambitieux western médiéval Rencontre avec le dragon. Si Bienvenue en Suisse lui permet de révéler son talent comique, Devos reste fidèle aux auteurs, à commencer par son mentor Arnaud Desplechin qui la choisit pour être l'héroïne du romanesque Rois et reine en 2004.
Retrouvant également Audiard, pour une participation dans De battre mon coeur s'est arrêté, elle replonge dans l'univers trouble de Carrère à l'occasion de La Moustache (2005) et dans celui, plein de fantaisie, de Sophie Fillières (Gentille). En 2009, elle campe la Mairesse d'une petite ville tombée sous la coupe d'un escroc (François Cluzet) en quête de rédemption dans le bouleversant A l'origine de Xavier Giannoli, ce qui lui vaut une nouvelle fois le César de la Meilleure actrice dans un second rôle en 2010.
Œuvrant entre drame et comédie comme à l'accoutumée, Emmanuelle Devos retrouve Vincent Lindon en 2011 pour La Permission de minuit puis s'affiche la même année au casting de Pourquoi tu pleures ?, premier film de la jeune franco-israélienne Katia Lewkowicz, aux côtés de Benjamin Biolay. L'année suivante, elle accompagne Pascal Elbé, auquel elle n'a pas donné la réplique depuis la comédie Vive nous ! (2000), dans le Fils de l'autre, drame identitaire sous la direction de la cinéaste Lorraine Levy.
Si Emmanuelle privilégie le drame, comme en témoignent ses prestations dans La Vie domestique, Moka ou Amin, elle trouve parallèlement des rôles de premiers plans dans le biopic Violette, les comédies On a failli être amies et Mes jours de gloire ou encore le thriller Numéro une. Spécialiste asociale du parfum dans le feel-good Les Parfums, elle joue une journaliste dans la romance Vous ne désirez que moi, la soeur de Pascal Elbé dans On est fait pour s'entendre et la femme de Franck Dubosc dans Noël Joyeux.
Début 2024, Emmanuelle Devos revient à un registre plus sombre en campant la compagne d'un célèbre avocat (Daniel Auteuil) accusé de pédophilie dans Un silence de Joachim Lafosse. Cette même année, elle campe une héritière se livrant à une romance peu commune avec l'homme d'argile Raphaël Thiéry et joue, côté séries, une commissaire de police chevronnée dans B.R.I..