Эмилий Христианович Ленц родился 24 февраля 1804 года в городе Дерпт (ныне Тарту, Эстония). Христиан Гейнрих Фридрих Ленц, его отец, занимал должность об ер-секретаря городского магистрата. Он умер в 1817 году, когда Эмилию было 13 лет. Его вдова, Луиза, оказалась в очень тяжелом положении – семья фактически осталась без средств. Трудно даже представить, какие трудности пришлось преодолеть женщине, чтобы вырастить двух сыновей (у Эмилия был младший брат Роберт) и дать им хорошее образование. Посильную материальную поддержку семье Ленца оказывал дядя, профессор химии Ф. И. Гизе.
Луиза смогла устроить детей в частную школу Диттлера. Здесь Эмилий проявил великолепные способности в математике и естественных науках. Не отставал он и по другим предметам и скоро стал лучшим учеником гимназии. По совету дяди юноша, окончив гимназию, поступил на естественнонаучный факультет Дерптского университета. И здесь Эмилий проявил свои способности, кроме того, он приобрел опыт работы с физическими приборами, который очень пригодился ему в дальнейшем.
В 1821 году умер Ф. И. Гизе, в результате чего юноша и его семья остались без поддержки. Эмилий был вынужден перейти на теологический факультет, учеба на котором давала определенное материальное обеспечение. Но и сам Ленц, и его преподаватели прекрасно понимали, что для богословия он не создан. Помимо лекций теологического факультета, Эмилий продолжал заниматься физикой и посещал лабораторию. Вскоре ректор университета, профессор Паррот, нашел возможность вернуть талантливого физика в его родную естественнонаучную стихию. Для кругосветной научной экспедиции требовался физик. Ректор рекомендовал на эту должность Ленца. Для нужд экспедиции Паррот и Ленц в короткий срок совместно разработали новые научные приборы: лебедку-глубомер и батометр (прибор для взятия проб воды и определения ее температуры на различных глубинах).
Экспедиция стартовала в августе 1823 года и продолжалась почти три года. За это время Эмилий Ленц провел множество океанографических, метеорологических и геофизических исследований. Он брал пробы воды с различных глубин, занимался определением ее солености, плотности, температуры, изучал океанические течения. В результате молодой ученый смог вывести зависимость солености морской воды от силы ветров и количества солнечного света: например, на экваторе, при наибольшем количестве солнечного света, ветра не сильны. Образовавшиеся при испарении воды пары остаются над поверхностью моря и препятствуют дальнейшему испарению. Поэтому на экваторе соленость воды меньше, чем к северу и к югу от него, где дуют пассаты. Также Ленц установил, что причиной возникновения океанических течений являются не только ветра, как считалось ранее, но и различия в плотности воды в разных широтах. Эмилий вернулся из экспедиции опытным и умелым ученым-экспериментатором.
Вскоре после возвращения Ленц поселился в Петербурге и посвятил следующий год обработке полученных результатов. Океанографические исследования ученого стали темой диссертации на соискание степени профессора, которая была успешно защищена им в 1827 году в Гейдельбергском университете. В феврале 1828 года ученый подал в Императорскую академию наук доклад: «Физические наблюдения, произведенные во время кругосветного путешествия под командованием капитана Отто фон Коцебу в 1823, 1824, 1825 и 1826 гг.». Работа произвела на академиков прекрасное впечатление, и в мае Ленца единогласно избрали адъюнктом Академии по физике.
В 1829–1830 годах Эмилий Ленц снова принял участие в экспедиции, на сей раз сухопутной. Ее целью было исследование ресурсов земель, недавно вошедших в состав империи в результате Кавказской войны. Ученый принял участие в первой попытке восхождения на Эльбрус, которая, правда, оказалась неудачной. Немного не дойдя до вершины, путешественники были вынуждены повернуть назад из-за большой рыхлости снега, препятствовавшей передвижению. В высшей из достигнутых точек Ленц произвел измерения атмосферного давления, по которым примерно установил высоту вершины. В мае 1830 года ученый вернулся в Петербург. За два месяца до этого он был заочно избран экстраординарным академиком.