Contrairement à son père et son frère Charlie, Emilio a voulu conserver leur nom de famille, espérant se démarquer de la notoriété de son père[2]. Son oncle Joe Estevez est également acteur.
Il apparaît d'abord dans quelques téléfilms, le premier étant Seventeen Going on Nowhere en 1980, et dans des séries télévisées comme Insight ou Making the Grade.
En 1984, le jeune acteur est propulsé tête d'affiche pour La Mort en prime (Repo Man), écrit et réalisé par Alex Cox. Le rôle du jeune punk Otto Maddox l'impose comme un acteur à suivre.
L'année suivante va lui permettre de confirmer : à l'origine sélectionné pour jouer le « criminel » John Bender dans le nouveau film de John Hughes, The Breakfast Club, Emilio Estevez obtient finalement le premier rôle du « sportif » Andy Clark, car John Hughes n'avait trouvé personne d'autre. Toujours en 1985, l'acteur fait partie de la distribution chorale d'un autre teen movie, St. Elmo's Fire, de Joel Schumacher. Le tournage lui permet aussi de rencontrer la jeune actrice Demi Moore — ils entretiendront une relation en 1987.
En 1986, il est au générique d'un autre thriller, plus orienté action/fantastique, Maximum Overdrive, écrit et réalisé par le romancier Stephen King. Le film est cependant un échec. La même année, la jeune vedette connait une seconde déconvenue avec sa première réalisation, le polar Wisdom, dont il partage l'affiche avec Demi Moore. Le film passe inaperçu au box-office.
En 1990, il révèle aussi son deuxième film comme réalisateur, le buddy movie Men At Work, dans lequel il partage la vedette avec son frère Charlie Sheen.
Passage progressif au second plan (années 1990)
L'acteur aux côtés de David Librace, sur le tournage de Freejack, en 1991.
En 1996, il fait un caméo au début du film Mission impossible dont Tom Cruise est la vedette. Il consent aussi cette année-là à faire une brève apparition dans Les Petits Champions 3, sorti en 1996, en demandant en contrepartie à Disney de financer et distribuer son troisième long métrage comme réalisateur, le drame historique The War at Home (1996). Malgré des bonnes critiques[5], le film reçoit une distribution minimale et passe inaperçu. Dévasté, il envisage de quitter le métier, mais réalise finalement pour la télévision la satire Classé X (2000), avec Charlie Sheen. Le téléfilm est sélectionné au festival du film de Sundance.
Cependant, malgré ce retour, il revient aux séries : signant la mise en scène de deux épisodes de la série policière Numb3rs, diffusés entre 2008 et 2009. Parallèlement, il participe à un épisode de la sitcom à succès de son frère Charlie Sheen : Mon oncle Charlie.
En 2010, il sort son sixième long métrage, le The Way, la route ensemble, qu'il a écrit et réalisé. Il dirige aussi son père, Martin Sheen, à qui il a confié le rôle principal, celui d'un père partant chercher le corps de son fils mort lors d'une randonnée. Il joue aussi dans le film. Les critiques sont excellentes[6], mais le film échoue commercialement. Le réalisateur ne présente ainsi son septième long comme scénariste/réalisateur qu'en 2018 : Un héros ordinaire marque son retour au film choral, en racontant l'occupation d'une bibliothèque par des sans-abris à la suite d'une vague de froid. Les critiques sont positives[7].
Années 2020
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Il est par ailleurs annoncé qu'il incarnera à nouveau Billy the Kid dans la suite de Young Guns, Young Guns 2 et dans Young Guns 3: Alias Billy the Kid, dont il est le scénariste, et pourrait également être le réalisateur[8].
