Émilie nació en una familia noble y culta, hija del barón de Breteuil, quien contaba con antepasados de renombre en magistratura y finanzas; y con las frecuentes visitas de científicos y matemáticos como Bernard de Fontanelle. Algunos de ellos, alentaron a Émilie a desarrollar sus facultades intelectuales. Émilie tuvo cinco hermanos, era una niña curiosa, que quería aprender y entenderlo todo.

Se le permitió acceder a una educación poco común para las mujeres de su época. El barón de Breteuil contribuyó en la educación de sus hijos, y también de su hija, a la que dio una formación destacable con grandes maestros. Desde pequeña mostró gran talento para las matemáticas, la física y las lenguas. A la edad de 10 años ya había estudiado metafísica y matemáticas; y a los doce hablaba 5 idiomas distintos: francés, inglés, italiano, español y alemán. Émilie también traducía textos del latín y del griego, le apasionaba la música y tocaba el clavecín. Continuó formándose durante toda su vida, ella decía: “El estudio nos hace totalmente independientes y por ello, el amor al estudio es la pasión más necesaria para nuestra felicidad”

Fue presentada a los 16 años en la corte de Versalles y en 1725, con 19 años, se casó con el marqués du Chastellet-Lomont, con quien vivió en París y tuvo tres hijos. Aunque su matrimonio no fue de libre elección, Émilie disfrutó de independencia económica gracias a su adquirida posición social. Tras la muerte de su tercer hijo, Émilie decidió no tener más,  aunque años después volvería a quedarse embarazada y moriría a causa del parto.

Por otro lado, el filósofo e intelectual Voltaire y Émilie mantuvieron una larga y fuerte relación intelectual y amorosa. Se conocieron cuando Émile era niña. Juntos trabajaron en el estudio de la física y la filosofía natural. Se instalaron en el castillo de Cirey, donde tuvieron un laboratorio y una biblioteca excepcional para la época.