Gracias a las producciones teatrales en las que participó durante su vida académica, Emily Mortimer consiguió varios papeles en programas de televisión y películas para este formato. Su primera oportunidad en la pantalla grande fue a lado de Val Kilmer en la cinta El fantasma y la oscuridad (1996). En 1998, Mortimer formó parte del elenco de Elizabeth y en 1999 participó en la popular comedia romántica Notting Hill junto a Hugh Grant.

Su popularidad internacional aumentó con su papel de Angelina Tyler en Scream 3 (2000) y su participación en la cinta familiar Mi encuentro conmigo (2000), junto a Bruce Willis. También participó en cintas como La provocación (2005),  La Pantera Rosa (2006) y La invención de Hugo Cabret (2011), del destacado director Martin Scorsese.

Mortimer formará parte del elenco de la secuela Mary Poppins Returns (2019), en la cual compartirá créditos con Emily Blunt, Meryl Streep, Colin Firth y Lin-Manuel Miranda. Asimismo, protagoniza el proyecto cinematográfico de la directora española, Isabel Coixet: De libros, amores y otros males, el cual pinta para ser un éxito en críticas y taquilla.

La actriz está casada, desde el 2003, con el también actor Alessandro Nivola, famoso por sus participaciones en Jurassic Park III (2001), Gol! (2005), Robo americano (2013) y Desobediencia (2018). Su padre era John Mortimer, famoso dramaturgo, guionista y escritor inglés.