Acteur précoce, il commence sa carrière à l'âge de 8 ans, en jouant dans Sabrina, l'apprentie sorcière, et dans des films à petits budgets. En 2004, il joue dans la comédie romantique The Girl Next Door, il n'a alors que 19 ans. Au cours des années 2005 et 2006, il incarne Jay Adams dans le film Les Seigneurs de Dogtown qui lui vaudra une nomination aux Teen Choices Awards, et Johnny Truelove, dans Alpha Dog aux côtés de Justin Timberlake, Bruce Willis et Sharon Stone.

Mais c'est le film Into the Wild (tiré d'une histoire vraie et adapté du roman de Jon Krakauer), dirigé et réalisé par Sean Penn, qui va définitivement le faire connaître et lui ouvrir de nombreuses portes. Il y joue Christopher McCandless, un jeune Américain de bonne famille et dont la vie semblait toute tracée, qui décide de tout quitter pour aller vivre seul en Alaska. La prestation d'Emile est plus qu'applaudie, cependant, il ne se sera pas nommé aux Oscars à la surprise générale, mais Hirsch gagnera en notoriété et plusieurs prix.

Il joue le rôle principal du film Speed Racer, un dessin animé japonais d'origine mais adapté au cinéma par les frères Wachowski, sorti en France en juin 2008. Emile retrouve Sean Penn, qui joue le rôle principal de Harvey Milk, homme politique américain militant pour les droits civiques des homosexuels dans les années 1970, pour le film biographique Milk de Gus Van Sant, sorti aux États-Unis le 5 décembre 2008.