Fille de Louis Nicolas Le Tonnelier, baron de Breteuil, introducteur des Ambassadeurs de Louis XIV, Émilie a la chance de vivre dans un milieu ouvert ; ses parents recevaient en effet le poète Jean-Baptiste Rousseau et Fontenelle dans leur salon parisien et elle connut ceux-ci dès l’enfance. Elle doit à son père une éducation qui d’ordinaire n’était que rarement dispensée aux filles. Lui-même lui enseigne le latin et, douée pour les études, elle apprend également le grec et l’allemand. Douée aussi pour la musique, elle apprend à jouer du clavecin ; aimant la danse et le théâtre, qu’elle pratique en amateur, aimant aussi à chanter l’opéra.
Présentée à seize ans à la Cour du régent par son père, elle fut séduite par les plaisirs que cette vie offrait, cédant à certaines extravagances, collectionnant les robes, les chaussures, adorant les bijoux.
Elle est mariée le 12 juin 1725 au marquis Florent Claude du Châtelet (ou du Chastellet). Celui-ci avait trente ans et elle dix-neuf. Elle vit quelque temps à Semur-en-Auxois dont son époux est gouverneur, et y rencontre le mathématicien Marcel de Mézières. Son mari la laisse vivre librement ; se rendant compte de ses propres limites autant que des capacités intellectuelles de sa femme. Elle a, de son mari, trois enfants, dont Louis Marie Florent du Châtelet mais son époux, pris par sa carrière militaire, ne voyait son épouse que très rarement. Celle-ci a d’ailleurs été auparavant la maîtresse du marquis de Guébriant et du maréchal de Richelieu ; l’assiduité et le goût de l’étude qu’elle montra avec précocité ne l’empêchant pas de mener la vie volage d’une dame noble sous la Régence.
De ses divers amants, c’est Voltaire qui a eu sur elle le plus d’influence, l’encourageant à approfondir ses connaissances en physique et en mathématiques, matières pour lesquelles il lui reconnaissait des aptitudes particulières, la considérant supérieure à lui-même en ce domaine de la « Philosophie Naturelle», car c'est ainsi qu'on appelait