N'ayant pas obtenu le poste qu'occupait son père à Leipzig à la mort de celui-ci, Carl Philipp Emanuel Bach fait d'autres tentatives pour quitter Berlin, en 1753 pour Zittau et en 1755, de nouveau pour Leipzig. Le roi sait les contrecarrer par des augmentations de salaire conséquentes. Ce n'est qu'en 1768, un an après la mort de Georg Philipp Telemann, qui avait été son parrain, que la candidature de Carl Philipp Emanuel Bach est retenue et qu'il est nommé Director Musices de Hambourg. Pendant vingt ans, il est Cantor à l'école d'érudition Saint-Jean de Hambourg, collège latin comme celui de la Thomasschule zu Leipzig, et dirige également la musique des cinq principales églises de la ville. La tâche s'avère très prenante. Il crée plusieurs oratorios mais continue à s'intéresser principalement à la musique instrumentale en composant des symphonies et des concertos pour clavier. Pendant sa période hambourgeoise, il n'écrit pas moins de 21 passions, également réparties entre les quatre évangélistes (Passions de C.P.E. Bach). Il publie six recueils de musique pour clavier (pianoforte) de 1779 à 1786 (Für Kenner und Liebhaber : « Pour connaisseurs et amateurs »). Ces recueils contiennent des œuvres très inspirées et originales (sonates, rondos et fantaisies). Bach donne une puissante impulsion à la vie musicale de Hambourg, non seulement par son abondante production personnelle, mais en révélant le Messie de Georg Friedrich Haendel, le Stabat Mater de Joseph Haydn, la Messe en si de son père et le Requiem de Niccolò Jommelli. Comme à Berlin, la maison de Bach à Hambourg est le lieu de rencontres amicales pour beaucoup d'artistes. On y rencontre des poètes, comme Lessing, Klopstock, Gerstenberg ou Matthias Claudius, et on y parle de la poésie lyrique et du redende Prinzip (les « notes qui parlent ») dans la musique. Il prend note des nouvelles manières de faire de la musique et de la tendance des concerts publics, comme Telemann les avait organisés à Francfort et à Hambourg. Dans une des premières salles de concerts en Allemagne, la salle Auf dem Kamp, Carl Philipp Emanuel Bach se produit lui-même et dirige les compositions des musiciens contemporains. Par son frère aîné, il entre en relation avec l'historien Johann Nikolaus Forkel. En 1770, il reçoit la visite du musicologue Charles Burney qui a rapporté de nombreuses informations sur Bach. Emmanuel meurt d’un malaise aigu à la poitrine le 14 décembre 1788. Son corps, ainsi que ceux de sa famille, sauf celui du fils mort à Rome, sont ensevelis dans la voûte de l’église Saint-Michel de Hambourg. Sa tombe a été découverte en 1925 par Heinrich Miesner, biographe de Bach.