Dende nena tivo moito interés en aprender (cando tiña tan só 12 anos xa sabía latín, grego, alemán e italiano, leera os mellores fragmentos de Horacio e Lucrecio no idioma orixinal e sabía os textos de Virxilio de memoria). Casou cando tiña 19 anos nun matrimonio de conveniencia, moi frecuentes nesa época, con Florent Claude, marqués de Châtelet-Laumont, quen era un home interesado na caza e na guerra e pouco na cultura; aínda así sabía apreciar as cualidades da sua esposa á que admiraba e axudaba cos seus estudos.. O matrimonio tivo dous fillos pero pouco a pouco foise distanciando aínda que sempre conservaron unha excelente amizade. Naquela época o ambiente científico dábase nas academias e nas tertulias dos cafés, ás que tan só podían ir homes; Émilie, con audacia e confianza, acudiu alí disfrazada de home e foi recibida con tantos aplausos e victores que os propietarios tiveron que deixala quedar..
En 1733, Émilie entrou en contacto con Voltaire, un escritor brillante e con moito éxito social que intentaba dar a coñecer en Francia as teorías de Newton. Voltaire queda impresionado con Émilie, ao igual que ela, e comezan a frecuentar os cafés, os salóns e incluso a corte de Versalles.
Ao ano seguinte Voltaire recibe aviso de que as súas Cartas inglesas, nas que avoga pola liberdade relixiosa e política en Gran Bretaña, foran interpretadas como un ataque a Luis XV e a Igrexia de Francia, e que como resultado ía ser encarcerado; neste momento decide fuxir cara París.
Émile ao enterarse da situación decide prestarlle o seu castelo de Cirey, que se encontra a 200 km de París, Voltaire acede e decide reformar o castelo que nese momento estaba practicamente en ruinas; un ano máis tarde, Émilie, xunto cos seus dous fillos múdase alí.
Émilie e Voltaire foron amantes durante 15 anos nos que a parella escribiu libros como Elementos da filosofía natural de Newton ( divulgacion sencilla das teorías da gravidade, a óptica e a luz), escrito por Voltaire pero que contou coa axuda da marquesa, Gramática razoada, escrita por Émilie pero que non se chegou a publicar e Exame do Xénesis (no que expuñan os seus planteamentos sobre o libro sagrado.
Émilie escribiu máis adiante un libro chamado As intitucións da física ( na que se expuña de maneira divulgativa e metódica e con comentarios persoais os principais conceptos da xeometría e a física; iniciando o libro cunha metafísica de Leibniz, onde chegaba incluso a contradicier algúns puntos das teorías de Newton), para que o seu fillo puidera estudar por un libro actualizado con todos os avances da ciencia.
Émilie foi criticada durante toda a súa vida debido ao interese que tiña por todo o relacionado coa ciencia. Advertíndoa, Voltaire, desta situación coas seguintes palabras:
" Escoitádeme, respetable Émilie, sodes bela, así que a metade do xénero humano será o voso inimigo. Sodes boa e seredes traizoada".
Esta críticas chegaron tanto de familiares como de "amigas"; unha das principais persoas que a criticaban era a súa curmá, Renée- Charlotte que chegou a dicir cousas como estas:
"Émilie é un coloso de tomo e lomo. Un fenómeno de forza e torpeza; tiña uns tremendos pés e unhas mans enormes, unha pel como rallador de noz moscada... sempre pedante e dándose de trascendente, mentras o confundía todo".
Outra muller que a criticou profundamente foi madame Deffand, propietaria dun dos salóns máis importantes dese tempo e coñecida de Voltaire; falando na súa correspondencia privada sobre o seca que era, grande, sen cadeiras, peito nin cú a marquesa de Châtelet.
No 1744, a relación con Voltaire enfríase cando este decidiu ir a Berlín e comezou a encontrarse con outras mulleres, en especial coa súa sobriña. Émilie continuou coa súa labor de traducir e comentar obras de Darwin como Principios matemáticos da filosofía natural.
En 1748, Émilie vai a Luneville, actual Nancy para ver a unha amiga e coñece ao marqés Jean- François de Saint-Lambert, con quen mantén unha relación e queda embarazada. Nese tempo Émilie segue traballando na traducción de Principia outro libro de Newton e Voltaire volve para pasar un tempo con ela antes do parto. Desgraciadamente Émilie non sobrevive ao parto e a nena que deu a luz tan só sobrevive uns días máis.
Émilie leva en sí o espíritu da Ilustración, no amor pola razón e o coñecemento, na búsqueda da felicidade e na importancia de conseguila. Ela tivo a súa propia noción de liberdade e a aproveitou; creía en sí mesma e pouco lle importaban as críticas. Émilie mirou ao mundo con ollos libres de prexuízos e dixo:
"Si eu fose rei... reformaría un abuso que posterga, por así dicilo, a metade do xénero humano; faría participar as mulleres en todos os dereitos da humanidade e sobre todo dos do espíritu".
