İstanbul'da doğdu. Babası tanınmış gazeteci ve siyaset adamı Ahmet Ferit Tek, annesi Fecr-i Âtî yazarlarından Müfide Ferit'tir. Babasının diplomatik görevi sebebiyle 1924 yılından itibaren uzun yıllar yurt dışında yaşadı ve İstanbul'da başladığı eğitim hayatını Fransa ve İngiltere'de tamamladı. Fransızca ve İngilizce'nin yanında Almanca öğrendi. Lisans eğitimini Fransa'da tarih üzerine yaptı. Paris ve Viyana güzel sanatlar akademilerinde gravür, mimari, vitray, resim, mozaik öğrenimleri gördü. Ayrıca Mehmet Necati Lugal'dan Arapça ve Farsça, Zeki Velidi Togan'dan Orta Asya tarihi, H. Janskey'den Ortaçağ Türkçesi dersleri aldı. Le Dragon dans l'iconographie Turque isimli teziyle Paris Üniversitesi sanat tarihi dalında doktor unvanını aldı.

1941 yılında babasının Tokyo büyükelçiliği sırasında sefaret başkâtibi olan Seyfullah Esin ile evlendi. Stockholm elçiliğine görevlendirilen eşiyle birlikte 1942 yılı baharında Kore, Mançurya, Moğolistan, Sibirya, Türkistan ve Azerbaycan üzerinden kara yoluyla Türkiye'ye ulaştı. 1955'te ikinci Türkistan seyahatini gerçekleştirdi ve bütün Türk ülkelerini dolaştı. Ziyaretleri esnasında gözlemlediklerini Türkistan Seyahatnamesi isimli eserinde anlatan Emel Esin, 1960'ların sonlarında Hicaz'a giderek hem hac ibadetini ifa etti hem de bölgeyi dolaştı. Mekke ile Medine gözlemlerini bir kitapta topladı. Daha sonra gerçekleştirdiği Haremeyn ziyaretlerinde Hz. Peygamber'in bulunduğu bütün mekânları bizzat gördü, kutsal yerlerin muhafaza edilmesi için gerekli teklif ve tedbirleri sundu.

1970'ten itibaren akademik çalışmalara ağırlık verdi. 1983'te Atatürk Kültür Dil ve Tarih Yüksek Kurumu Atatürk Kültür Merkezi asil üyeliğine seçildi ve Türk-Arap İncelemeleri Vakfı'nın kurucu üyeleri arasında yer aldı. Atatürk Kültür Merkezi adına, Hâkanî Türk medeniyeti tarihi, Uygur Türk medeniyeti tarihiyle Oğuz Türkleri'nin kültürüne ve sanatına dair inceleme ve çalışmalarını bitiremeden 26 Şubat 1987 tarihinde İstanbul'da vefat etti ve Karacaahmet Mezarlığı'na defnedildi.

Vefatından sonra vasiyeti gereğince 1989 yılında Üsküdar Salacak'taki evinin merkez olduğu Tek-Esin Türk Kültürünü Araştırma ve Geliştirme Vakfı kuruldu. Türk kültürü ve sanatıyla alakalı eserler başta olmak üzere 7385 cilt kitap, 890 yazma, 4500 makale, 290 dergide yayımlanan çalışmalarıyla alakalı dosyalardan ve resimlerden oluşan kütüphanesini ve bütün mal varlığını bu vakfa bağışladı. Yetiştiği çevrede edindiği Türk İslam kültürünün yanı sıra babası ve eşinin görevleri sebebiyle Batı kültürünü de tanımaya fırsat bulan Emel Esin çalışmalarını edindiği bu geniş bakış açısıyla gerçekleştirdi. Hayatına ilki gençliğinden beri okuduğu Kur'an-ı Kerim ve Ahmed Yesevî'nin Dîvân-ı Hikmet'i olmak üzere iki kitabın çok tesir ettiğini bizzat ifade etmektedir. Ona göre Türk kültürünün esas ve kökleri ortaya konulurken İslamiyet'le kazandığı yeni ruh özellikle ortaya konulmalıydı. Bundan dolayı kültürün bir tezahürü olarak sanatı esas alarak Türk kültürünü ve medeniyetini anlayabilmek için daha çok dil ve edebiyat ya da tarih ve sosyolojiyi esas alan diğer Türk bilim insanlarından farklı ve yeni bir bakış açısı ortaya koydu. Eski Türk toplumlarının evren tasavvuruna yer vererek bunu ayrıntılı bir şekilde açıklaması çalışmalarının bir diğer özgün yönüdür. Eserlerinde Türkistan seyahati esnasında gördüğü mimari yapılardaki en küçük ayrıntılara kadar yer vermesi, fotoğraf çekmenin yasak olduğu eserleri bizzat çizerek resim sanatındaki kabiliyetini göstermesi, bölge halkının hayat tarzı, kıyafetleri, örf ve âdetleri hakkında gözlemlerini aktarması çalışmalarını değerli kılmaktadır.

1959 yılından 1987'ye kadar kitap, makale tebliğ, gazete yazısı olmak üzere çeşitli dillerde ve bir kısmı kapsamlı olmak üzere 300'e yakın çalışması yayımlanmış; İslam Ansiklopedisi, Türk Ansiklopedisi ve Türkiye Diyanet Vakfı İslâm Ansiklopedisi'nde çeşitli maddeler kaleme almıştır. Uzun yıllar süren bir hazırlık ve birikimin ürünü olan, yeni buluş ve görüşlerin dile getirildiği kitapları arasında öne çıkanlar şunlardır: Türkistan Seyahatnamesi (Ankara 1959); Fransızca, Almanca, İspanyolca ve Farsça'ya tercüme edilen Mecca the Blessed Madinah the Radiant (London 1963); İngilizce'ye çevrilen İslâmiyet'ten Önceki Türk Kültür Tarihi ve İslâm'a Giriş (İstanbul 1978); Antecedents and Development of Budist and Manichean Turkish Art in Eastern Turkistan and Kansu (İstanbul 1967); Turkish Miniature Painting (Tokyo 1960); Fransızca ve Almanca olarak da yayımlanan Aspects of Turkish Civilisation in Cyprus (İstanbul 1965); Turkish Art in Cyprus (Ankara 1969); Lebbeyk: Hac Hâtıraları (İstanbul 1968); Sadullah Paşa Yalısı (İstanbul 1977, 1982, 1984); Türk Kozmolojisi (İstanbul 1979); İngilizce'si de yayımlanan Türk Kültür Tarihi İç-Asya'daki Erken Safhalar (Ankara 1985).