"Em gái mưa" được chính thức phát hành vào ngày 1 tháng 9 năm 2017.[7] Một đĩa EP cùng tên, kèm theo bài hát và hai ca khúc mới cùng thuộc chủ đề mưa – "Hôm qua mưa" và "Chia tay trong mưa" (song ca cùng ca sĩ Bùi Anh Tuấn) – đã được phát hành vào ba ngày sau đó.[10][11] Trước khi ra mắt ca khúc, Hương Tràm đã trình bày "Em gái mưa" trong một buổi phát sóng trực tiếp trên Facebook, khiến cho Mr. Siro lo ngại rằng việc ra mắt ngoài dự kiến này sẽ làm bài hát thất bại. Tuy nhiên, sau thành công trong ngày đầu phát hành, vị nhạc sĩ gọi Hương Tràm là một người "có tính toán."[2]

Sau ba tháng ra mắt, "Em gái mưa" đứng vị trí thứ 4 trong danh sách những ca khúc có nhiều lượt nghe nhất năm 2017 của Zing MP3.[12] Vào tháng 3 năm 2018, bài hát đạt 300 triệu lượt nghe và trở thành nhạc phẩm được nghe nhiều nhất trong lịch sử của Zing MP3 và toàn 10 năm nhạc số tại Việt Nam.[13] "Em gái mưa" đã được trao một giải Zing Music Award cho Ca khúc Pop/Ballad được yêu thích nhất,[14] hai giải Làn Sóng Xanh cho Bài hát hiện tượng và Top 10 bài hát (nhạc sĩ) được yêu thích nhất (dành cho Mr. Siro),[15] cùng một giải WeChoice cho Trào lưu thu hút giới trẻ trong năm.[16] Ngoài ra, bài hát còn nhận được đề cử Ca khúc của năm tại Zing Music Awards,[17] đề cử Single của năm tại giải Làn Sóng Xanh[15] và hai đề cử Keeng Young Awards cho hạng mục Ca khúc của năm và Ca khúc nhạc pop.[18]