Elle est née à Boloeuil, en Belgique, le 29 août 1981. Elle entre à l’Académie de musique et des arts de Baudour jeune, avant de commencer le théâtre à 8 ans et d’intégrer une troupe.
Elle se fait connaître dans Rosetta, un film des frères Dardenne où elle joue une vendeuse de gaufres. Rôle pour lequel elle recevra un César, une grande distinction.
Emilie Dequenne a gagné le Prix d’interprétation féminine à Cannes à 18 ans pour son rôle dans Rosetta. Elle a également remporté quatre Magritte du cinéma. Elle a joué dans beaucoup de films.
Emilie Dequenne est morte le 16 mars 2025 d’un cancer rare à Villejuif en France. Elle s’est longtemps battue contre cette maladie. Elle était âgée de 43 ans.