Ema Tompson je rođena 15. aprila 1959. u Padingtonu u Londonu u porodici glumaca - oca Erika Tompsona i majke Filide Lo, koja je sa Tompsonom glumila u nekoliko filmova. Njena sestra Sofi Tompson je takođe glumica. Njen otac je bio Englez, a majka Škotlanđanka. Tompsonovu duhovitost gajila je vesela, pametna, kreativna porodična atmosfera, a bila je popularan i uspešan student. Pohađala je Univerzitet Kembridž, studirajući englesku književnost, i bila je deo univerzitetske Footlights grupe, poznate grupe u kojoj su se mnogi članovi Monti Pajtona prvi put sreli.
Tompson je diplomirala 1980. godine i započela svoju karijeru u oblasti zabave, počevši od nastupa na radiju Bi-Bi-Si do turneja sa humorističkim emisijama. Ubrzo je dobila svoju prvu veliku ulogo na televiziji, u programu komičnih skečeva Alfresco (1983), pišući i nastupajući zajedno sa svojim kolegama iz Footlights grupe Stivenom Frajem i Hjuom Lorijem. Takođe je radila na drugim programima za recenzije TV komedije sredinom 1980-ih, povremeno sa nekim svojim kolegama iz Footlightsa, a često i sa glumcem Robijem Koltrejnom.
Tompson se ponovo našla u saradnji sa Frajem 1985. godine, ovog puta u njegovoj scenskoj adaptaciji drame „Ja i moja devojka” na londonskom Vest Endu, u kojoj je imala glavnu ulogu, glumeći Seli Smit. Emisija je bila uspešna i dobila je pozitivne kritike, a snaga njenog nastupa dovela je do njenog izbora za glavnu ulogu u televizijskoj mini seriji Fortunes of Var (1987), u kojoj Tompson i njen kolega Kenet Brana igraju ulogu Engleski bivši par koji živi u istočnoj Evropi u vreme izbijanja Drugog svetskog rata. Tompsonova je osvojila nagradu BAFTA za svoj rad na programu. Udala se za Branaha 1989. godine, nastavila da radi sa njim profesionalno i sa njim osnovala producentsku kuću. Kasnih 80-ih i ranih 90-ih, glumila je u nizu dobro prihvaćenih i uspešnih televizijskih i filmskih produkcija, od kojih je najznačajnija njena glavna uloga u Merchant-Ivori produkciji Hauards end (1992), koja je potvrdila njenu sposobnost da nosi film sa obe strane Atlantika i prikladno je obasuo transatlantskim počastima - i Oskarom i nagradom BAFTA.
Od tada, Tompson je nastavila da se kreće bez napora između sveta umetničkog filma i mejnstrim Holivuda, iako čak i njene holivudske uloge imaju tendenciju da budu u produkciji višeg kvaliteta. Ona nastavlja da radi i na televiziji, ali je generalno veoma selektivna u pogledu uloga koje preuzima. Piše i za serije, poput scenarija za Razum i osećajnost Anga Lija (1995), u kojem je takođe glumila Elinor Dešvud, i teleplej adaptaciju cenjene drame Snaga uma (2001) Margaret Edson u kojoj je takođe sa zvezdicom.
Tompsonova je poznata po svojim sofisticiranim, veštim, mada njeni kritičari kažu donekle manirnim, nastupima, i naravno po svojoj visokoj duhovitosti, na koju se ne plaši da ukaže na sebe - ona je neustrašivi samosatiričar. Tompson i Brana su se razveli 1994, a Tompson je sada udata za kolegu glumca Grega Vajza, koji je igrao Viloubija u filmu Razum i osećajnost (1995) Anga Lija. Tompson i Vajz imaju jedno dete, Geju, rođenu 1999. Ona je imenovana za Damu komandanta Ordena Britanske imperije na Kraljičinim rođendanskim počastima 2018. za svoje zasluge u drami.
Nastupila je u četiri filma u režiji svog tadašnjeg supruga Keneta Brana: Henri V (1989), Ponovo mrtav (1991), Piterovi prijatelji (1992) i Mnogo buke ni oko čega (1993).
Jedna je od tri glumice koje su osvojile i Oskara za najbolju glumicu (njen je za Hauards end (1992)) i za najbolju gostujuću glumicu u komedijskoj seriji Emi (njen je za Elen (1994)). Ostale glumice su Gvinet Paltrou i Keti Bejts.