Emma Castelnuovo ha avuto il grande merito di intuire la necessità di un cambiamento nell'insegnamento della matematica. Agli anni immediatamente successivi alla guerra risale l'esperienza dell'Istituto romano di cultura matematica (IRCM), che le ha permesso di entrare in contatto con insegnanti e pedagogisti italiani e stranieri.
La lettura del libro del matematico Clairot Les Eléments de Géométrie del 1741 ha rappresentato per Emma un punto di svolta decisivo, ispirandole la scrittura di un testo per le scuole medie, Geometria intuitiva, edito nel 1949. La grande novità consisteva nel ribaltare il percorso, partendo non più dall'astratto per arrivare al concreto, ma mettendo al centro l'osservazione della realtà, unita alla costruzione manuale di semplici materiali. Così, abbandonando l'approccio teorico-razionale e procedendo in modo empirico, gli alunni erano più portati a sviluppare curiosità, interesse, senso critico e intuizione. L'insegnamento innovativo di Emma metteva al centro l'allievo e le sue esigenze, per combattere l'idea che la matematica fosse una materia antipatica e trasformarla in un sapere utile per la crescita formativa e personale di ciascuno.
Senza mai abbandonare l'insegnamento nella scuola pubblica nella convinzione che quello fosse il luogo privilegiato per una sperimentazione efficace, ha viaggiato molto per divulgare il suo metodo e nel 1951 è stata chiamata a far parte della neonata Commissione internazionale per lo studio e il miglioramento dell'insegnamento della matematica (CIEAEM), di cui sarà presidente dal 1979 al 1981.
Nel 1963 ha pubblicato Didattica della Matematica, testo per cui l'Accademia dei Lincei le ha conferito il premio della Pubblica istruzione l'anno successivo e divenuto un classico soprattutto nei Paesi di lingua spagnola.
Nel 1979 è stata chiamata nella Commissione per i nuovi programmi della scuola media e negli anni successivi si è recata più volte in Niger, inviata dall'UNESCO come insegnante.
Nel 2009 è stata insignita dell'onorificenza di Grande Ufficiale dell'Ordine al Merito della Repubblica italiana e nel 2014 l'International commission on mathematical instruction (ICMI) ha istituito in suo onore la medaglia Emma Castelnuovo da assegnare come riconoscimento per eccezionali traguardi raggiunti nella didattica della matematica.
