Il padre, Giovanni Antonio, fu incisore e modellatore in cera.

Emilio studiò all'Accademia di Belle Arti di Firenze. Giovanissimo, nel 1828 lavorò nella basilica di Santa Croce, dove realizzò il monumento alla contessa d'Albany Luisa di Stolberg-Gedern. Sempre nella basilica fiorentina eseguì il monumento a Leon Battista Alberti, mentre per Santo Spirito realizzò il bassorilievo di Cristo e la Veronica (1832). Suo il bassorilievo alla base del monumento a Pietro Leopoldo in piazza Santa Caterina a Pisa, inaugurato nel 1833. Pochi anni dopo, per il portico degli Uffizi scolpì la statua di Michelangelo.

Intorno al 1855, a Livorno, nell'odierna piazza della Repubblica, realizzò il monumento a Leopoldo II in sostituzione dell'originaria scultura eseguita da Paolo Emilio Demi, abbattuta a seguito dei moti rivoluzionari del 1849.

Suoi sono anche il Monumento in memoria di Alessandro Gherardesca nel Camposanto monumentale di Pisa (1853) e le decorazioni a stucco della cappella della Madonna a San Romano (PI).

Emilio Santarelli acquistò un orto dietro la basilica di Santa Maria del Carmine in Oltrarno, a Firenze, dove fece costruire il proprio palazzo. Nell'annesso giardino, oggi noto come giardino Nidiaci, diede vita a una vasta collezione di fiori, in particolare di camelie.