Emma Stone est la fille de Krista (née Yeager), une mère au foyer, et Jeff Stone, un entrepreneur. Elle a un frère plus jeune qu'elle de 2 ans, Spencer. Le grand-père d'Emma était d'origine suédoise et sa famille a choisi d'angliciser son nom en « Stone » à leur arrivée en Amérique. Ses ancêtres vivaient dans le sud-est de la Pennsylvanie. Emma exprime très jeune le désir de devenir actrice et joue dans les productions théâtrales de son école. À 15 ans, elle convainc ses parents de déménager à Los Angeles en utilisant une présentation PowerPoint. Elle commence sa carrière à la télévision par le biais d'une émission de téléréalité en 2005. En 2007, elle tient le premier rôle féminin dans l'éphémère série de la Fox, Drive. Emma vit par ses propres moyens à Los Angeles en 2007, et déménage à Greenwich Village, à New York, en 2009. La même année, elle fait ses débuts à l'écran dans la comédie SuperGrave de Greg Mottola. Elle y joue Jules, la fille dont Seth, l'un des héros, est amoureux. Le film est un succès et rapporte plus de 120 millions de dollars au box-office américain. Emma Stone apparaît ensuite dans la comédie The Rocker, puis interprète la présidente de la sororité Zeta dans laquelle débarque la pin-up Anna Faris dans Super blonde de Fred Wolf. En 2009, elle incarne Wichita dans le film Bienvenue à Zombieland.
En 2010, elle obtient le rôle principal dans la comédie Easy A, qui lui vaut une première nomination au Golden Globe de la meilleure actrice dans un film musical ou une comédie et le prix de la meilleure performance comique aux MTV Movie Awards. Malgré le succès de la comédie aux États-Unis, celle-ci n'a pas eu de grand retentissement en France (diffusion en direct-to-video). Le 5 octobre 2010, elle est confirmée dans le rôle de Gwen Stacy dans le reboot de la saga Spider-Man réalisé par Marc Webb, The Amazing Spider-Man, sorti le 4 juillet 2012. Suite au tournage, elle annonce être en couple avec Andrew Garfield. Dans le même temps, elle continue de jouer dans des comédies notamment dans Sexe entre amis ou Crazy, Stupid, Love, où elle est très remarquée aux côtés de Ryan Gosling.
Après s'être essayée plusieurs fois avec succès à la comédie, elle s'investit dans le genre dramatique dans La Couleur des sentiments de Tate Taylor où elle incarne une jeune journaliste qui souhaite écrire un livre sur le quotidien des domestiques noirs dans le Mississipi raciste des années 1960.
En 2012, elle devient l'égérie de la marque Revlon aux cotés d'Olivia Wilde.
En 2013, elle est de retour sous la direction de Ruben Fleisher, après la comédie déjantée Bienvenue à Zombieland, pour y jouer la femme fatale dans Gangster Squad où elle retrouve pour la deuxième fois Ryan Gosling.
