Figlia di Giovanni III re del Portogallo e di Caterina d'Asburgo, nacque a Coimbra il 15 ottobre 1527.
Il 13 novembre 1543 a Salamanca sposò Filippo II d'Asburgo, suo cugino tramite entrambi i genitori. Il matrimonio fu combinato per motivi dinastici e Filippo trattò la sposa con tanto distacco da indurre il padre e il suocero a scrivergli per sollecitare il concepimento di un erede.
L'8 luglio 1545 a Valladolid nacque finalmente il primo e unico figlio della coppia, Don Carlos principe delle Asturie. Maria Emanuela morì il 12 luglio per le conseguenze del parto senza che il marito se ne mostrasse particolarmente addolorato.
Filippo si risposò nel 1554 con Maria I Tudor, il figlio Don Carlos ebbe una vita disordinata, segnata da probabile squilibrio mentale e finì in prigione per aver congiurato contro il padre.