Emily Jane Browning joue la comédie dès l'âge de dix ans. Après quelques rôles à la télévision australienne, dont un rôle dans la série Halifax qui lui vaut un Australian Film Institute Award en 2002, elle entame sa carrière cinématographique en 2001 dans The Man Who Sued God (en) puis enchaîne en 2002 dans Le Vaisseau de l'angoisse, de Steve Beck.

Elle joue ensuite aux côtés de Heath Ledger dans Ned Kelly (2003), de Gregor Jordan, avant d'interpréter Violette Baudelaire, un des personnages principaux du film Les Désastreuses Aventures des orphelins Baudelaire (2004), de Brad Silberling, qui devient alors le plus gros succès de sa carrière et qui lui offre un deuxième Australian Film Institute Award, celui de la meilleure actrice, en 2005. Elle refuse ensuite le rôle de Bella Swan, finalement attribué à Kristen Stewart, dans la saga à succès Twilight.

En 2011, on la retrouve dans la nouvelle superproduction de Zack Snyder, Sucker Punch, où elle joue le rôle principal, Babydoll, aux côtés de Vanessa Hudgens, Abbie Cornish, Jamie Chung et Jena Malone. Elle y interprète aussi plusieurs titres sur la bande originale, dont la reprise de Sweet Dreams d'Eurythmics.