Hun var datter av mineralogen Morten Thrane Esmark (1801–1882) og Ulrike Benedicte Wiborg (1810–1898). Farfaren var professor Jens Esmark (1763–1839), gift med Wibeche, datter av den danske zoolog Morten Thrane Brünnich (1737–1827). Birgitte ble naturforsker, noe hun oppdaget på Madeira der hun samlet mollusker i to år for å bli frisk. I 1879 var hun første kvinne som mottok stipend for å ta en studiereise til Nordland og Finnmark, samt studere resultatene ved Det Kongelige Frederiks Universitet der onkelen Laurits Martin Esmark (1806–1884) var professor i zoologi (han også) og siden 1863 hadde vært rektor. Hun hadde ikke eksamen i faget, da dette ikke ble tillatt før i 1881. Etter onkelens død i 1884 fikk Birgitte publisert avhandlingen internasjonalt.