Née de parents sympathisants socialistes, Emmanuelle Pierre-Marie grandit à Chinon (Indre-et-Loire), puis à Paluel (Seine-Maritime)[1]. Elle est l'aînée d'une famille de trois enfants ; son père — comme plusieurs personnes de sa famille — travaille pour EDF[1]. Elle déclare qu'il « participait à la mise en place du cœur du réacteur » de la centrale nucléaire de Paluel et qu'il a « été irradié et s'est retrouvé gravement malade »[1].
Après avoir été chargée d'études à l'agence d'urbanisme du Havre, elle intègre en 2010 celle de Paris (APUR)[1]. Elle s'intéresse notamment aux sujets concernant les « invisibles des villes », comme les sans-abri, les malades ou les personnes en situation de handicap[1],[2].
Candidate EELV pour les élections municipales de 2020 toujours dans le 12e arrondissement, Emmanuelle Pierre-Marie voit sa liste arriver en 4e position avec 11,95 % à l'issue du premier tour au mois de mars[2]. Elle est devancée par celles de Sandrine Mazetier (LREM ; 16,54 %), Valérie Montandon (LR ; 22,86 %) et Emmanuel Grégoire (PS ; 33,39 %)[8]. Début juin, un mois avant le second tour, les têtes de listes Anne Hidalgo (PS) avec David Belliard (EELV) officialisent la fusion de leurs listes[9]. Finalement, grâce à un accord politique négocié avec le Parti socialiste en cas d'une victoire commune avec la maire sortante, les Verts obtiendront le fauteuil de maire dans un arrondissement de Paris[1] ; la décision se porte sur la mairie du 12e arrondissement[10]. Lors du second tour, la liste fusionnée l'emporte avec 54,98 % des voix[8] ; Emmanuelle Pierre-Marie est alors élue maire le [11], tandis qu'Emmanuel Grégoire reste premier adjoint d'Anne Hidalgo, chargé de l'urbanisme[12].
Fin 2022, elle se fait critiquer pour avoir passé les fêtes de fin d'année à New York en ayant pris l'avion[13].
En juin 2023, elle est violemment prise à partie et menacée de mort par un motard sur une piste cyclable[14],[15],[16]. Elle avait déjà été violentée par une automobiliste en 2021[17].