Hemelrijk studeerde biologie aan de Universiteit Utrecht. Na haar studie is ze aan dezelfde universiteit gepromoveerd op een proefschrift over sociaal gedrag van gevangen chimpansees. Van 1991 tot 2003 is ze verbonden geweest aan de Universiteit van Zürich, waar zij onderzoek deed naar kunstmatige sociale systemen. Sinds 2003 werkt ze als Rosalind Franklin Fellow aan de RUG.

In haar onderzoek richt Hemelrijk zich op complex collectief gedrag als gevolg van simpele individuele gedragingen bij primaten, vissen en vogels. Naast vele wetenschappelijke publicaties schreef ze in 2005 het boek Self-organisation and Evolution of Biological and Social Systems.