Conocida principalmente por haber interpretado el personaje de Hermione Granger en la saga de películas de Harry Potter.

Watson fue elegida para interpretar a Hermione a la edad de nueve años, después de haber participado anteriormente solo en obras de teatro escolares. Protagonizó, junto con Daniel Radcliffe y Rupert Grint, las ocho películas de la serie cinematográfica.​ Debido a su trabajo en Harry Potter, ha sido galardonada con varios premios y se estima que ha ganado 26 millones de libras esterlinas.

Watson hizo su primera aparición fuera de Harry Potter en el telefilme Ballet Shoes transmitido por la BBC One el 26 de diciembre de 2007 y obtuvo una audiencia de 5,2 millones. En 2008, prestó su voz para la Princesa Pea en la película animada The Tale of Despereaux, basada en el libro homónimo de Kate DiCamillo. En 2011 participó en My Week with Marilyn, su primer trabajo después de finalizar la saga de Harry Potter. En 2012 protagonizó junto a Logan Lerman, la película The Perks of Being a Wallflower, basada en la novela homónima de Stephen Chbosky, en 2013 actuó en The Bling Ring, película de Sofia Coppola basada en hechos reales, y en 2014 apareció en Noé, la epopeya bíblica de Darren Aronofsky.

Aunque el interés principal de Watson es la actuación, también hace trabajos relacionados con la moda. Su debut en el modelaje se produjo en 2009, después de protagonizar la campaña británica otoño/invierno de la marca Burberry. También apareció en la campaña primavera/verano 2010 de Burberry.

A partir de 2011, se convirtió en el rostro de Lancôme, después de haber realizado cuatro campañas para la marca. Watson también colaboró como estilista conjuntamente con la People Tree y con la italiana Alberta Ferretti, con el fin de producir colecciones de ropa ecológica. En octubre de 2013 fue elegida mediante una encuesta a nivel mundial realizada por la revista británica Empire como la mujer más sexy de las estrellas del cine.

En el año 2000 comenzaron los castings para Harry Potter y la piedra filosofal, la adaptación cinematográfica del superventas homónimo de la novelista británica J. K. Rowling.​ La principal preocupación de los directores de casting era encontrar a los actores adecuados para interpretar los papeles del trío protagonista: Harry Potter y sus dos compañeros Hermione Granger y Ron Weasley, sus dos mejores amigos. Los encargados del casting encontraron a Watson mediante su profesora de teatro en Oxford y los productores quedaron gratamente impresionados por la confianza que tenía la joven en sí misma. Tras ocho audiciones, el productor David Heyman les comunicó a Watson, Daniel Radcliffe y Rupert Grint, que habían sido seleccionados para interpretar a los personajes protagónicos Hermione Granger, Harry Potter y Ron Weasley, respectivamente. La autora de la novela, Rowling, ya había mostrado su apoyo hacia Watson desde que vio su primera prueba.

El debut de Watson como Hermione Granger llegó en 2001 con el estreno de Harry Potter y la piedra filosofal. La película batió récords de taquilla durante su primer fin de semana, siendo la producción más taquillera de ese año 20​21​ y batió récords de mayor recaudación en un día de estreno (31,6 millones de dólares) y de mayor recaudación en un fin de semana (93,5 millones de dólares) en los Estados Unidos, y fue la película más taquillera del año con un ingreso global de 974,8 millones de dólares.​ La crítica elogió, mayoritariamente, el trabajo del joven trío protagonista, haciendo hincapié en la interpretación de Watson. El periódico inglés The Daily Telegraph describió su trabajo como «admirable», e IGN afirmó que «se adueñó de la función». Watson fue nominada a cinco premios por su trabajo, y logró el Young Artist a la mejor interpretación juvenil como protagonista (Young Artist Award for Leading Young Actress).

En 2006, Radcliffe y Grint ya habían expresado su deseo de continuar con sus futuras carreras como actores, en cambio, Watson manifestó su incertidumbre acerca de sus planes de futuro. En una entrevista para la revista Newsweek ese año, dijo: «Daniel y Rupert parecen tenerlo claro (…) Me encanta actuar, pero hay otras muchas cosas que me gustaría hacer».​ Watson además expresó su interés en estar en un filme musical al finalizar la saga Harry Potter.

El 5 de febrero de 2014 se confirmó que Watson se uniría al elenco de Regresión junto a Ethan Hawke, David Dencik, Devon Bostick y su compañero de Harry Potter, David Thewlis. El rodaje se realizó íntegramente en Toronto (Canadá) y comenzó el 15 de abril de 2014. La película tuvo su estreno mundial en el Festival Internacional de Cine de San Sebastián el 18 de septiembre de 2015, fue estrenada el 2 de octubre de 2015 en España y el 9 de octubre en el Reino Unido. También en 2014 se confirmó que Watson y Daniel Brühl interpretarían a una pareja en la película Colonia, de Florian Gallenberger, basada en los hechos reales ocurridos en el contexto del golpe y del régimen militar chileno. La película comenzó a grabarse el 2 de octubre de 2014 en Luxemburgo y en Buenos Aires (Argentina) a principios de 2015. Se estrenó en el Festival Internacional de Cine de Toronto el 13 de septiembre de 2015. También fue proyectada en el Festival de Berlín el 12 de febrero de 2016. Fue lanzada el 15 de abril de 2016 en Estados Unidos y Canadá, y el 18 de febrero de 2016 en Alemania. Ambas películas recibieron críticas mayormente negativas.

El 26 de enero de 2015 se anunció que Emma interpretaría a Bella, en el remake del clásico de Disney, La bella y la bestia. El rodaje comenzó en los Estudios Shepperton de Londres el 18 de mayo de 2015 y la película se estrenó finalmente el 17 de marzo de 2017, consiguiendo recaudar 1.260.998.471 dólares a nivel mundial, convirtiéndose en la segunda película con más éxito en taquilla de 2017. Precisamente por el proyecto de La bella y la bestia, Watson tuvo que rechazar por problemas de agenda su interpretación en La La Land, el drama musical de Damien Chazelle en donde la actriz iba a encarnar al personaje principal de Mia Dolan. El 28 de abril de ese año se estrenó la película The Circle, interpretada por Watson junto a Tom Hanks y John Boyega.

En 2018, Watson sustituyó a Emma Stone como actriz en la película Mujercitas, de Greta Gerwig. Stone estuvo comprometida con la promoción de La favorita, en cuyo reparto figuraba, por lo que no pudo estar entre el elenco de Mujercitas.