Emil nació en la pequeña localidad de Euskirchen (entonces la Renania Prusiana, a unos 30 km de Bonn) como el sexto hijo —precedido por cinco chicas, todas fallecieron— de Laurenz y Julie (nacida Poensgen), que formaban una familia acomodada con éxitos empresariales. Recibió una buena educación que el joven Emil aprovechó. Tras acabar los estudios de secundaria (Gymnasium) en 1869, su padre quiso que se formara en las empresas familiares para hacerse cargo de los negocios familiares. Aunque permaneció dos años con esta actividad, Emil no mostró interés por estos asuntos, por lo que decidió ingresar en la universidad. Por consejo de su padre, estudió Química —el padre pensaba que era una carrera que le iba a permitir vivir holgadamente ¡eran otros tiempos! —, matriculándose en la Universidad de Bonn y realizando una estancia durante la carrera en la Universidad de Estrasburgo. Durante sus estudios universitarios se interesó más por la Física y la Química Analítica y no tanto por la Química Orgánica, aunque tuvo como profesor al gran August von Kekulé (1829-1896). Sin embargo, su interés científico cambió cuando tuvo a Adolf von Baeyer (1835-1917, Premio Nobel de Química en 1905) como profesor, que le indujo a ser químico orgánico, área en la que investigó toda su vida, llegando a ser uno de los tres más importantes de la historia.

 Realizó la tesis doctoral —sobre compuestos fluorescentes, dirigida por Baeyer, un experto en colorantes— en la Universidad de Estrasburgo, presentándola en 1874. Tras doctorarse, continuó en Estrasburgo, pero en 1875 acompañó a Baeyer —que sustituía como catedrático a von Liebig (1803-1873), otro de los grandes de la química— a la Universidad de Munich, con el puesto de ayudante en Química Orgánica. En Münich, Fischer comenzó su carrera investigadora independiente, alcanzando el rango de Privat Dozent en 1879, con una tesis titulada ‘Los problemas actuales de la química’.

Su carrera académica e investigadora la realizó en algunas de las universidades alemanas más prestigiosas: Munich (1875–81), Erlangen (1881–88), Würzburg (1888–92) y, finalmente, Berlin (1892–1919), la cumbre de la ciencia alemana de la época.

Su investigación abarcó prácticamente todos los aspectos de la química orgánica de su tiempo, desde péptidos y proteínas a heterociclos, pasando por estereoquímica, síntesis orgánica, productos naturales de interés biológico y química médica. En todas las áreas realizó descubrimientos que marcaron época.

Sintetizó y estudió la actividad biológica de los barbituratos —previamente estudiados de manera breve por von Baeyer—. En 1902 patentó el barbital —en colaboración con Joseph von Mering (1849-1908), un médico. Fue el primer fármaco con propiedades sedantes e sinópticas con buen índice terapéutico (la relación entre la actividad biológica y la toxicidad) y que sirvió como cabeza de serie para multitud de psicofármacos.

Determinó la estructura de productos naturales como el ácido úrico, la xantina, la cafeína y la teobromina. Demostró que todos ellos comparten un esqueleto común —un heterociclo nitrogenado— que denominó purina; que, posteriormente, se encontró que es el esqueleto de las bases adenina y guanina presentes en los ácidos nucleicos.

Investigó la estructura, reactividad y síntesis de azúcares (carbohidratos), incluyendo los procesos bioquímicos producidos en las fermentaciones de azúcares, siendo un pionero en enzimología. Propuso la hipótesis (metafórica) de la llave y la cerradura para explicar la especificidad enzimática, lo que constituye la base del reconocimiento molecular.

También estudió la química, estructura y síntesis de aminoácidos, péptidos y proteínas. Por sus estudios de moléculas de interés biológico —carbohidratos, purinas, aminoácidos, péptidos y proteínas— se le considera uno de los padres de la bioquímica

Durante la Primera Guerra Mundial fue el responsable de organizar la producción química alemana. Se suicidó el 15 de julio de 1919. No están claras las circunstancias que le impulsaron a esta acción, posiblemente influyó la muerte de dos de sus hijos durante la guerra, así como un cáncer de intestino que padecía.