С актёром Грегом Уайзом Эмма Томпсон познакомилась на съёмках фильма «Разум и чувства» в 1995 году. В 2003 году они поженились в Дюнуне, Шотландия, где у актрисы есть второй дом. Эмма старше мужа на 7 лет. У них есть дочь Гайя (р. 1999). В 2003 году усыновили руандийца Тиндиебуа Агабу, семья которого погибла во время геноцида.
20 августа 1989 года актриса вышла замуж за актёра и режиссёра Кеннета Брана, с которым она снялась в 6 фильмах. В октябре 1995 года они развелись.
Имела романтические отношения с Хью Лори. Дружит с ним по сей день.
Сестра Эммы — Софи Томпсон — также актриса.
Родилась в семье актёров — Эрика Томпсона и Филлиды Ло.