Младшая из семи детей Джосайи Веджвуда II (1769—1843), владельца знаменитой фарфоровой фабрики и члена Парламента. Семья принадлежала Унитаристской церкви, нонкоформисты. Детство её прошло в семейной резиденции — Мэйр-холл . С ранней юности она приобщалась к интеллектуальной деятельности: писала старшей сестре Элизабет проповеди для наставления деревенских детей в местной воскресной школе.
Достигнув зрелости, была отправлена в Париж, где обучалась игре на фортепьяно у Фредерика Шопена. В 1826 г. вместе с сестрой восемь месяцев провела в Женеве у тётки — жены знаменитого экономиста де Сисмонди. С Чарльзом Дарвином, своим кузеном, стала общаться на обратном пути в Париж (вместе с отцом). Увлекалась стрельбой из лука.
В Мэйре в 1831 г. семейство Веджвудов приняло горячее участие в судьбе Дарвина: отец не дозволял ему отправиться в кругосветное плавание на «Бигле». Во время пятилетнего вояжа переписывалась с Дарвином. Отклонила несколько брачных предложений, а после болезни матери посвятила себя уходу за ней.
29 января 1839 года Эмма вышла замуж за Чарльза Дарвина в возрасте 30 лет. Церемония бракосочетания была проведена в традициях Англиканской церкви, венчание проводил их кузен Джон Аллен Веджвуд. Сначала пара жила на Gower Street в Лондоне, затем 17 сентября 1842 года, переехала в Даун (графство Кент). У Дарвинов было десять детей, трое из которых умерли в раннем возрасте. Многие из детей достигли значительных успехов: трое из них — Джордж, Фрэнсис и Гораций стали членами Королевского общества.
Некоторые из детей были болезненны или слабы, Чарлз Дарвин боялся, что причина этого в их родственной близости с Эммой, что было отражено в его работах по болезненности потомков от близкородственного скрещивания и преимуществах далёких скрещиваний.
Эмма продолжала заниматься музыкой и впоследствии, что отразилось в труде Дарвина о происхождении человека, где отдельная главка посвящена развитию музыкальных способностей путем полового отбора.
Эмма посвятила себя семье и болезненному мужу. Потеряв трёх детей она обратилась к благотворительности, к середине 1850-х гг. начала раздавать неимущим еду и деньги, а также лечила их по методам и рецептам отца Дарвина — Роберта. В 2008 г. её поваренная книга была напечатана в собрании сочинений Дарвина .
Эмма была воспитана в унитаристской традиции, которая внутреннее религиозное чувство ставит превыше догмата и даже Священного Писания. Взгляды Дарвина были в начале их брака более традиционными, он был англиканином, поэтому несколько лет ушло на преодоление религиозных разногласий. Эмма даже боялась разрыва .
Ещё в период ухаживания, Дарвин начал размышлять о происхождении видов, о чём поделился с Эммой, делая ей предложение 11 ноября 1838 г. В дальнейшем, Эмма примирилась с агностицизмом Дарвина. Посещая англиканские богослужения, она никогда не читала Символ Веры, дома проводились семейные унитаристские службы .
После смерти Дарвина, Эмма приобрела большой дом The Grove в Кембридже. На том же участке её сын Фрэнсис построил свой дом, который назвал Wychfield. Сын Гораций также построил рядом свой дом The Orchard. Это были зимние резиденции: лето Эмма проводила в семейном доме в Кенте, дети — в своих резиденциях.
Эмма Дарвин скончалась 7 октября 1896 г. в Доуне, где была похоронена рядом с братом Дарвина — Эразмом. Сам Дарвин покоится в Вестминстерском аббатстве.
Эмме Дарвин посвящено немалое место в романе Ирвинга Стоуна «Происхождение» (1980 г.) — беллетризованной биографии Дарвина.
В 1986 г. была опубликована биография, написанная Эдной Хили (Edna Healey), подвергшаяся критике за чрезмерное преувеличение роли Эммы в научных занятиях её супруга.
В 2009 г. был снят фильм «Происхождение», посвящённый религиозным отношениям Дарвина и Эммы. В роли Эммы — Дженнифер Коннелли.