Inscrite dès l'âge de huit ans dans un cours de déclamation et de diction, Emilie Dequenne apprend très tôt à jouer sur le ton de sa voix pour restituer une palette variée d'émotions. De 1994 à 1996, elle est membre de l'atelier "Le Théâtre de la Relève", de Ladeuze. Après deux années de coupure avec la scène, consacrées à ses études, elle remporte en mai 1998 un tournoi d'éloquence, renouant ainsi avec sa vocation d'actrice.
Emilie Dequenne fait partie de la génération d'actrices belges des années 1990, représentée par des comédiennes telles Natacha Régnier ou Marie Gillain. Elle fait une entrée fracassante sur le grand écran dans le rôle-titre de Rosetta (1999) des frères Dardenne, qui la choisissent lors d'un casting. Pour son premier film, elle réalise une grande performance d'actrice. Jeune fille sans avenir, se heurtant à la pénible réalité d'une région ouvrière en crise, elle incarne avec un naturel éblouissant toute la misère et la détresse d'une génération. La richesse de son jeu lui vaut le Prix d'interprétation féminine au Festival de Cannes. Le film, quant à lui, remporte la Palme d'or. Poursuivant sur sa lancée, en 2000, elle tourne Le Pacte des loups (Christophe Gans), grosse production en costumes où elle est associée à quelques grands noms du cinéma français, tels Monica Bellucci et Vincent Cassel.
Très sollicitée après ces deux succès, elle devient une jeune fille mal dans sa peau qui entreprend une thérapie dans Oui, mais... (2001) de Yves Lavandier, face à Gérard Jugnot. Sa fraîcheur bouscule ensuite le quotidien du bourru Jean-Pierre Bacri dans Une femme de ménage (2002) de Claude Berri. Après deux comédies (Mariées mais pas trop, 2003, de Anne Consigny ; L'Américain, 2004, de Patrick Timsit), elle se glisse dans l'univers maritime tourmenté de L'Equipier (Philippe Lioret, 2004). Elle enchaîne alors les rôles secondaires, que ce soit dans le film historique international Le Pont du roi Saint-Louis (Mary McGukian, 2004), le drame choral Avant qu'il ne soit trop tard (Laurent Dussaux, 2005) ou la décevante adaptation du Grand Meaulnes d'Alain-Fournier par Jean-Daniel Verhaegue (2005).
On la remarque ensuite en apprentie chanteuse accumulant les petits boulots dans La Vie d'artiste (2006) de Marc Fitoussi, et en jeune amie d'un Omar Sharif perdant la mémoire dans J'ai oublié de te dire (Laurent Vinas-Raymond, 2008). André Téchiné fait d'elle le visage d'un des faits divers les plus médiatisés de la période (une adolescente invente une agression antisémite dont elle aurait été victime), La Fille du RER (2009), où elle est la fille de Catherine Deneuve. C'est pourtant avec un autre fait divers, celui à l'origine du film de Joachim Lafosse A perdre la raison (2012) qu'Emilie Dequenne signe son retour au premier plan. Elle est impressionnante dans ce rôle de mère de famille qui tue ses enfants, et reçoit pour cela un nouveau prix d'interprétation à Cannes, celui de la section Un certain regard. Après ce film très dur, elle participe à deux thrillers, La Traversée (Jérôme Cornuau, 2012) et Möbius (Eric Rochant, 2013).
Parmi les téléfilms auxquels elle a collaboré, plusieurs sont des polars (Miroir, mon beau, miroir, Serge Meynard, 2007 ; Obsession(s), Frédéric Tellier, 2010 ; Mystère au Moulin Rouge, Stéphane Kappes, 2011) mais c'est en incarnant Charlotte Corday dans le téléfilm éponyme de Henry Helman (2008) qu'elle décroche son plus beau rôle sur petit écran.
Au théâtre, elle est la Mademoiselle Julie de Strindberg dans une mise en scène de Didier Long en 2006 et incarne quatre ans plus tard la demoiselle de compagnie de la grande exploratrice jouée par Hélène Vincent dans Alexandra David-Neel de Michel Lengliney, là aussi sous la direction de Didier Long.
2006 | Chacun son cinéma : Dans l'obscurité | Jean-Pierre Dardenne, Luc Dardenne |
1998 | Rosetta | Jean-Pierre Dardenne, Luc Dardenne |
2000 | Oui, mais | Yves Lavandier |
2000 | Pacte des loups (Le) | Christophe Gans |
2002 | Mariées mais pas trop | Catherine Corsini |
2002 | Une femme de ménage | Claude Berri |
2003 | Américain (L') | Patrick Timsit |
2003 | Puente de San Luis Rey (El) Le Pont du roi Saint-Louis | Mary McGuckian |
2004 | Avant qu'il ne soit trop tard | Laurent Dussaux |
2004 | Equipier (L') | Philippe Lioret |
2004 | Etats-Unis d'Albert (Les) | André Forcier |
2004 | Ravisseuse (La) | Antoine Santana |
2005 | Ecoute le temps | Alanté Kavaïté |
2005 | Grand Meaulnes (Le) | Jean-Daniel Verhaeghe |
2006 | Vie d'artiste (La) | Marc Fitoussi |
2007 | J'ai oublié de te dire | Laurent Vinas-Raymond |
2008 | Fille du RER (La) | André Téchiné |
2009 | Meute (La) | Franck Richard |
2011 | A perdre la raison | Joachim Lafosse |
2011 | Traversée (La) | Jérôme Cornuau |
2012 | Divin enfant | Olivier Doran |
2012 | Möbius | Eric Rochant |
2013 | Pas son genre | Lucas Belvaux |
2014 | Par accident | Camille Fontaine |
2015 | Maman a tort | Marc Fitoussi |
2016 | Au revoir là-haut | Albert Dupontel |
2016 | Chez nous | Lucas Belvaux |
2016 | Hommes du feu (Les) | Pierre Jolivet |
2018 | Je ne rêve que de vous | Laurent Heynemann |
2019 | Choses qu'on dit, les choses qu'on fait (Les) | Emmanuel Mouret |
2021 | Close | Lukas Dhont |