Marie Gillain est née le 18 juin 1975 près de Liège en Belgique. Cette fille de journaliste pratique très tôt la danse et la comédie puis intègre à 14 ans une troupe de théâtre amateur de Liège. Cette passionnée de cirque passe des essais pour L'amant de Jean-Jacques Annaud mais elle ne parvient pas à décrocher le rôle principal. La révélation arrive aux débuts des années 1990, en 1991 plus précisément quand Marie Gillian décroche (cette fois-ci) le rôle principal féminin dans la comédie Mon père ce héros. Dans ce film, elle est la fille de Gérard Depardieu à qui elle mène la vie dure. La performance lui vaut une nomination au César du Meilleur espoir féminin.
Quatre ans plus tard, elle brille dans le film de Bertrand Tavernier...
L'appât. Ce film raconte la dérive criminelle de trois jeunes personnes. Son interprétation lui permet de décrocher le prix Romy Schneider en 1996. Puis elle impressionne sur les planches dans Le journal d'Anne Frank. Sa prestation lui vaut une nomination au Molière de la révélation théâtrale. Pour le septième art, elle joue aux côtés d'Isabelle Huppert dans Les affinités électives. Dans les années qui suivent, elle va multiplier les rôles dans des registres suivants : la comédie, l'aventure, le drame et le policier.

En 1997, elle donne la réplique à Daniel Auteuil dans un film d'époque,
Le bossu. Une nouvelle fois, le public répond présent. Par la suite, Marie Gillain alterne le cinéma d'auteur comme Le dîner en 1998 et les films dits "grand public" comme
Absolument fabuleux (2001). L'année suivante, elle joue dans Laissez-passer, film mis en scène par Bertrand Tavernier. Toujours en 2002, son public peut l'applaudir dans Ni pour, ni contre (bien au contraire) de Cédric Klapisch. Les tournages s'enchaînent : Tout le plaisir est pour moi (2004) et
L'enfer (2005). Après sa grossesse, elle revient en 2007 sur le devant de la scène avec les films suivants :
Pars vite et reviens tard de Fred Vargas, Fragile(s), La clef et La vie n'est pas une comédie romantique.
L'année d'après, elle apparaît dans
La très très grande entreprise, film dans lequel elle donne la réplique à Roschdy Zem et Jean-Paul Rouve. Puis elle prête sa voie à la Tigresse dans le film d'animation
Kung Fu Panda. Les réalisateurs lui proposent par la suite des rôles plus engagés comme celui de Suzy dans
Les femmes de l'ombre ou d'Adrienne Chanel dans
Coco avant Chanel.
Fin 2011, elle donne la réplique à Vincent Lindon dans le film
Toutes nos envies de Philippe Lioret, elle y incarne une jeune juge condamnée livrant une urgente bataille contre les crédits liés à la consommation. Préparez vos mouchoirs ! Elle retrouve aussi le personnage de la Tigresse dans
Kung Fu Panda 2.