Tinha nome de aristocrata, Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil, e era: filha do barão de Breteuil nascida em 1706, ela se tornou marquesa ao se casar com Florent Claude du Châtelet, em 1725. Desde cedo foi encorajada pelos pais a adquirir uma educação sofisticada, rara para uma jovem da época: música, dança, canto, teatro, ginástica, equitação, línguas (aos 12 anos era fluente em alemão, italiano, latim e grego) e sua grande paixão, a matemática e a física.

O marquês du Châtelet era um homem de guerra, onze anos mais velho e com pouco em comum com sua esposa, mas o casamento foi surpreendentemente feliz. Três filhos depois, a relação já evoluíra para uma amizade cúmplice com as liberdades do outro, que durou pelo resto de suas vidas. Para Émilie, as liberdades de aprender e de amar.

Estudou matemática com Maupertuis, autor do famoso princípio da mínima ação, que lhe apresentou as ideias de Newton, e com Clairaut, pioneiro das equações diferenciais. Manteve correspondência com matemáticos como Leonhard Euler e Johann II Bernoulli, e até com o rei da Prússia, Frederico 2^o, o Grande.

Émilie ajudou a provar experimentalmente que a energia cinética é proporcional ao quadrado da velocidade, como afirmara Leibniz. Em 1738, tornou-se a primeira mulher a ter um ensaio científico –sobre a natureza do fogo– publicado pela Academia de Ciências da França. Seu trabalho mais conhecido, publicado postumamente em 1756, é a primeira tradução dos "Principia Mathematica" na França, com comentários, que permanece a base das traduções da obra de Newton para o francês. Em seus escritos, ainda tratou de temas tão diversos quanto filosofia, finanças, estudos bíblicos, e a defesa da educação para mulheres. Vários de seus textos foram copiados diretamente na Enciclopédia, a grande obra do Iluminismo.

Assim mesmo, ela ainda é mencionada sobretudo no contexto de sua relação, romântica e intelectual, com o mais brilhante (e polêmico) dos iluministas, o filósofo Voltaire, que durou por quase toda a sua vida adulta. Embora Voltaire reconhecesse a superioridade dela no âmbito das ciências ("Eu costumava ensinar a mim mesmo com você. Agora você voou para onde eu não posso mais segui-la"), a história buscou relegá-la à sombra do homem, fazendo esquecer a influência e prestígio de que desfrutou em vida.

A injustiça vem sendo corrigida. O Instituto Émilie du Châtelet foi criado na França em 2006 para apoiar e desenvolver a pesquisa sobre mulher, sexo e gênero, e tanto a Sociedade Francesa de Física quanto a Universidade Duke, nos Estados Unidos, oferecem prêmios científicos com o seu nome.

Émilie morreu em 10 de setembro de 1749, aos 42 anos, devido a complicações do parto de sua quarta criança, uma menina, fruto da relação com o poeta Jean-François de Saint-Lambert.