Marie Gillain empezó a los 17 años en 1991 con Bertrand Tavernier en L’Appât (Oso de Oro, Oso de Plata de la mejor actriz, Berlinale 1995) … Después actuó bajo la dirección de los hermanos Taviani, de Scola y de Philippe de Broca en Le Bossu, (nominada al César de la mejor actriz). Más tarde hizo una película con Cédric Klapisch, Danis Tanovic, Régis Wargnier, Guillaume Nicloux y Anne Fontaine. En 2011, fue nominada de nuevo en los Césars para Toutes nos envies (Philippe Lioret). La encontramos después en Landes de François-Xavier Vives. El año 2016 fue marcado por su interpretación en La Vénus à la fourrure en el teatro, que le valió el Molière de la mejor actriz. En 2017, actuó para Pierre Aknine en Souviens-toi y dirigió su primer cortometraje, Timing. En 2018, interpretó a la Speakerine en la miniserie dirigida por Laurent Tuel. Actualmente trabaja a la escritura de su primer largometraje como directora.