Emma Penella nasceu Manuela Ruiz Penella em Madrid no dia 2 de março de 1931. Filha do político Ramón Ruiz Alonso (1901-1977) e de Magdalena Penella Silva, tinha sua família ligada às artes, sendo bisneta e neta de compositores e tendo irmãs que também seguiram a carreira artística (as atrizes Elisa Montés e Terele Pávez).
Durante os primeiros anos da década de cinquenta tinha que conciliar seu trabalho em algumas funções de teatro com vários filmes aos quais foi dublada, já que os nódulos que tinha na garganta a faziam ter uma voz que não estava de acordo com o gosto da época, razão pela qual foi operada várias vezes ao longo da vida, ainda assim sem solucionar o problema, que por outro lado se tornaria um das suas marcas registradas.
Con Los ojos dejan huellas (1952), de José Luis Sáenz de Heredia, foi sua estreia no cinema, seguindo-se filmes como Carne de horca, Cómicos (onde Juan Antonio Bardem utiliza pela primeira vez sua voz real), Los peces rojos ou Fedra, de Manuel Mur Oti, que foi um escândalo na época pelo erotismo mostrado por Penella, algo comum a outros filmes dessa primeira etapa, como La cuarta ventana (1963), única que protagoniza junto a suas duas irmãs.
Trabalhou ainda para Francisco Regueiro em Padre Nuestro y Carlos Saura (El amor brujo) e foi protagonista do filme de Eloy de la Iglesia La estanquera de Vallecas, tornando-se a atriz fetiche deste diretor e ficando associada a um cinema de temática transgressora. Também na década de 1980 regressou ao teatro para desenvolver uma intensa atividade. Em 1991 falleceu seu marido, Emiliano Piedra, que acabou ganhando um Goya de Honor póstumo em 1992. Em 1993 se despediu do teatro com El enfermo imaginario, de Molière.
A atriz desfrutou então de seu retiro, só interrompido muito esporadicamente, como no filme Pídele cuentas al Rey, a diretora de elenco Elena Arnao a visitou em 2003 em sua casa interessando-se pelo seu estado de saúde. Em resposta, Emma dançou uma jota para ela onde aceitou um papel na série de televisão Aquí no hay quien viva (Antena 3), obtendo uma grande popularidade interpretando Concha, uma pensionista mal humorada. A frase mais famosa de sua personagem era: “Váyase, señor Cuesta, ¡vayase!”, que repetia constantemente para a personagem interpretada por José Luis Gil e que parodiava a frase “Váyase, señor González”, que o ex-presidente do governo José María Aznar costumava dirigir a seu antecessor no cargo, Felipe González.
Descoberta assim pelo público mais jovem, em 2004 participou da dublagem para o espanhol do filme de animação Os Incríveis e no ano seguinte, animada pelo seu companheiro José Luis Gil, o faz no filme espanhol El sueño de una noche de San Juan.
A atriz faleceu no dia 27 de agosto de 2007, aos 76 anos, depois de uma insuficiência renal e cardíaca, produzida por uma septicemia ocasionada pela diabetes que padecía desde anos atrás. Foi enterrada no Cemitério de Almudena de Madrid no dia seguinte, aniversário da morte de seu marido. Esse mesmo ano, a título póstumo, recebeu, no marco do Festival de Cinema Iberoamericano de Huelva, o prêmio Ciudad de Huelva, que reuniu em memória de sua irmã Terele Pávez e a sua filha, Emiliana, que reuniu amigos e companheiros de profissão. Em 27 de junho de 2011 a Calçada da Fama de Madrid inaugurou uma estrela em homenagem a atriz.