"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 ba ngày sau đó.[10][11] Theo Hương Tràm, chủ đề mưa của album được lấy cảm hứng từ các ca khúc do nam ca sĩ Trung Quân thể hiện, người vốn được báo chí mệnh danh là "Thánh mưa" do có xuyên suốt nhiều tác phẩm thuộc chủ đề này.[10][12] 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 ngày đầu phát hành thành công, 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.[13] 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.[14] Tuy nhiên, vào tháng 8 năm 2019, danh hiệu này của ca khúc đã bị tước đi bởi "Đừng như thói quen" của JayKii và Han Sara.[15] "Em gái mưa" đã được trao một giải Zing Music Award cho Ca khúc Pop/Ballad được yêu thích nhất,[16] 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),[17] cùng một giải WeChoice cho Trào lưu thu hút giới trẻ trong năm.[18] Ngoài ra, bài hát còn nhận được đề cử Ca khúc của năm tại Zing Music Awards,[19] đề cử Single của năm tại giải Làn Sóng Xanh[17] và hai đề cử Keeng Young Awards cho hạng mục Ca khúc của năm và Ca khúc nhạc pop.[20]