เอ็มมา วอตสันเกิดที่ปารีส ประเทศฝรั่งเศส เธอเป็นลูกสาวของทนายความชาวอังกฤษชื่อ แจ็กลีน ลิวสบี และคริส วอตสัน[14][15][16] วอตสันอาศัยอยู่ในปารีสจนอายุ 5 ขวบ พ่อแม่ของเธอแยกทางกันตั้งแต่เธอยังเด็ก หลังจากพ่อแม่หย่าร้างกัน วอตสันย้ายกลับมาอยู่กับมารดาที่ออกซฟอร์ดไชร์ ประเทศอังกฤษ และอยู่กับบิดาที่ลอนดอนในวันสุดสัปดาห์[14][17] วอตสันเคยกล่าวว่าเธอพูดภาษาฝรั่งเศสได้บ้าง แม้ว่า "ไม่คล่องแคล่ว" เท่าที่เคย[18] หลังจากย้ายไปที่ออกซฟอร์ดกับมารดาและน้องชาย เธอเข้าศึกษาที่โรงเรียนดรากอนสกูลในออกซฟอร์ด จนกระทั่งปี พ.ศ. 2546 เธออยากเป็นนักแสดงตั้งแต่อายุ 6 ขวบ[19] และเรียนร้องเพลง เต้นรำ และการแสดงที่โรงเรียนสเตจโคชเธียเตอร์อาตส์แบบไม่เต็มเวลา[20]

เมื่ออายุ 10 ขวบ วอตสันได้แสดงในละครเวทีของโรงเรียนสเตจโคชหลายเรื่อง รวมถึงเรื่อง อาร์เธอร์: เดอะยังเยียร์แอนด์เดอะแฮปปีพรินซ์[21] แต่เธอไม่เคยแสดงมืออาชีพใด ๆ ก่อนภาพยนตร์ชุดแฮร์รี พอตเตอร์ หลังจบโรงเรียนดรากอนสกูล วอตสันย้ายไปเรียนที่โรงเรียนเฮดิงตันสกูล[14] ขณะอยู่ที่กองถ่ายภาพยนตร์ เธอและเพื่อน ๆ มีครูสอนพิเศษให้วันละห้าชั่วโมง[22] ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2549 เธอเข้าสอบ GCSE 10 วิชา ได้รับเกรด A* 8 วิชา และเกรด A 2 วิชา[14][23]