Figlia di Domenico, suggeritore teatrale, e della vestiarista Cristina Brad, esordì a teatro in giovane età.

Dotata di una carica interpretativa fortemente incisiva, Emma Gramatica debuttò in teatro ancora adolescente accanto alla celebre Eleonora Duse nella Gioconda di Gabriele D’Annunzio (1891). In quegli anni apprese da autodidatta lo spagnolo e il tedesco. Dopo una lunga tournée in Russia e in America, lavorò con le compagnie Pietriboni e Aleotti, per diventare primattrice giovane della compagnia Rosaspina-Montrezza (1893). Sorella dell’altrettanto celebre Irma Gramatica e della meno conosciuta Anna Adele Alberta Gramatica, Emma fu primattrice nelle compagnie di alcuni dei nomi più prestigiosi del teatro italiano della fine dell’Ottocento e del primo Novecento.

Nel 1902 ottenne un trionfo con la sua interpretazione in La Samaritana di Rostand e più tardi si distinse interpretando il ruolo di Nora in Casa di bambola di Ibsen.  Negli anni dieci del Novecento crea la famosa Gramatica-Carini-Piperno, la cui direzione è affidata a Leo Orlandini, compagnia nella quale si formeranno molti grandi attori come Renzo Ricci, Lola Braccini e Camillo Pilotto, che ne diventerà primo attore, seguito nel 1944 da Adolfo Geri.

Nei primi anni Venti intraprese, insieme alla sorella Irma, una tournée in America e poi in Germania, recitando in lingua tedesca. Frequenti, dai primi anni trenta, le sue partecipazioni alla prosa radiofonica EIAR e successivamente RAI.

Attrice di stampo verista, dai toni accesi e patetici, in età avanzata intraprese con successo la carriera cinematografica e televisiva, recitando tra l’altro nel film Sorelle Materassi (1944) di Ferdinando Maria Poggioli, accanto alla sorella Irma, e in Miracolo a Milano (1951) di Vittorio De Sica. Apparve anche in Don Camillo monsignore… ma non troppo (1961) di Carmine Gallone, confermandosi anche nel cinema interprete di qualità e prestigio.

La stampa dell’epoca, nazionale e internazionale, parlò di lei in toni entusiastici, affermando, fra l’altro, che nelle sue interpretazioni dimostrava un eclettismo rivelatore della sua cultura e della sua intelligenza.

Ricevette riconoscimenti e onorificenze in Italia e la Legion d’onore in Francia. Morì ad Ostia nel 1965, e riposa nella tomba di famiglia nel cimitero di Signa, insieme alla sorella Irma e ai genitori.