Issue d'un milieu d'acteurs, elle est la fille d’Edward Fox et Joanna David, sœur de Freddie Fox, la nièce de James Fox et la cousine de Laurence Fox et de Jack Fox. Elle s'est mariée avec l’acteur Jared Harris, dont elle divorça en 2010, et elle habite à Londres. Elle a fait ses études à l'école de Bryanston et à l'Université d'Oxford. Elle parle l'allemand et le français.
Sue Birtwistle, la productrice de la série télévisée Orgueil et Préjugés auditionna en vain plusieurs dizaines de jeunes actrices ou filles d'acteurs, pour jouer Georgiana Darcy, car il fallait quelqu'un à « l'air très jeune, innocent, absolument pas contaminé par le monde[1] » ayant de la classe et sachant jouer du piano, avant de penser à Emilia Fox, 19 ans. Le plus dur fut de convaincre son père. Elle retrouva sur le tournage sa mère, Joanna David, qui jouait Mrs Gardiner.
