Gabrielle Émilie le Tonnelier de Breteuil nacque a Parigi nel 1706 in una famiglia nobile dalle ottime conoscenze: suo padre, un barone, era un favorito di Luigi XIV. Da piccola ebbe tutti i privilegi che una ragazzina potesse desiderare. Della sua istruzione sappiamo poco: con ogni probabilità fu quella tipica delle giovani donne di buona famiglia del tempo. Quando compì 18 anni, tuttavia, il barone combinò il suo matrimonio con una delle casate più antiche della Lorena. Il marchese di Châtelet le diede molto prestigio, ma poco altro. Per qualche anno la nuova marchesa condusse una vita del tutto tradizionale, gestendo la sua casa a Semur-en-Auxois, generando due figli e una figlia e, nella stagione appropriata, godendosi tutti i piaceri di Parigi.

Fu nel 1733, mentre era a Semur incinta del secondo figlio, che Émilie cominciò a interessarsi alla matematica. La marchesa si dedicò seriamente allo studio del trattato di geometria analitica di Cartesio e cominciò a tradurre i nuovi Principia di Newton, aggiungendo i propri commenti a completamento ed estensione di alcune delle ipotesi chiave del grande fisico inglese. Dopo la pubblicazione, la sua versione divenne l'edizione di riferimento in tutta Europa.

Per tutti gli anni 30 e 40 del Settecento continuò a leggere, studiare e scrivere, pur trovando il tempo di occuparsi del marito, dei figli e di un buon numero di amanti. In verità, i suoi scritti sull'ottica e la grammatica e i commenti critici al Vecchio e al Nuovo Testamento raggiunsero una fama quasi pari a quella delle sue scandalose relazioni. Tra queste si annovera quella con Voltaire, che scrisse a Federico II di Prussia che Émilie era "un grande uomo, il cui unico difetto è essere una donna", e quelle con il matematico de Maupertuis e il filosofo de la Mettrie. L'ultimo amante, il poeta soldato de Saint-Lambert, fu il padre della sua ultima figlia, che però morì subito dopo la nascita; la stessa Émilie morì sei giorni dopo.