Marie Gillain fait ses débuts à 17 ans en 1991 avec Bertrand Tavernier dans L’Appât (Ours d’Or, Ours d’Argent de la meilleure comédienne, Berlinale 1995)… Puis elle joue sous la direction des frères Taviani, de Scola et de Philippe de Broca dans Le Bossu, (nominée au César de la meilleure actrice). Elle tourne ensuite avec Cédric Klapisch, Danis Tanovic, Régis Wargnier, Guillaume Nicloux et Anne Fontaine. En 2011, elle est à nouveau nominée aux César pour Toutes nos envies (Philippe Lioret). On la retrouve ensuite dans Landes de François-Xavier Vives. 2016 est marquée par son interprétation de La Vénus à la fourrure au théâtre, qui lui vaut le Molière de la meilleure actrice. En 2017, elle tourne pour Pierre Aknine dans Souviens-toi et réalise son premier court-métrage, Timing. En 2018, elle incarne la Speakerine dans la mini-série réalisée par Laurent Tuel. Elle travaille actuellement à l’écriture de son premier long métrage en tant que réalisatrice.