Actrice née le 18 juin 1975 à Liège, Marie Gillain est révélée très jeune par le film Mon père ce héros, en 1991. D’emblée, cette performance lui vaut d’être nominée pour le César du meilleur espoir féminin. Sa carrière est ainsi lancée et, en 1995, son rôle dans L’Appât de Bertrand Tavernier est salué tant par la critique que par le public.
En 1995, elle débute au théâtre, dans Le Journal d'Anne Frank. Après une cinquantaine de représentations à Lyon, la pièce fait un triomphe à Paris. Ce rôle lui vaudra d'ailleurs une nomination pour la Révélation théâtrale de l'année à la dixième Nuit des Molières.
En 1996, Marie Gillain participe à L'Orchestre à la portée des enfants, une série de concerts organisés par les Jeunesses Musicales de Liège et de Bruxelles avec l'Orchestre Philharmonique de Liège dans le but de faire découvrir la musique symphonique aux enfants. Elle y raconte La Boîte à joujoux de Claude Debussy, L'Histoire de Babar de Francis Poulenc et Pierre et le Loup de Serge Prokofiev.
Actrice reconnue, elle enchaîne depuis lors les succès au cinéma dans des registres aussi variés que la comédie, le drame, l’aventure ou le policier. Sa riche filmographie comporte notamment Le Bossu de Philippe de Broca (1997), Le Dernier Harem de Ferzan Ozpetek (1999), Absolument fabuleux de Gabriel Aghion (2001), Laissez-passer de Bertrand Tavernier (2002), Ni pour ni contre (bien au contraire) de Cédric Klapisch (2003), L'Enfer de Danis Tanovic (2005), Coco avant Chanel d’Anne Fontaine (2009) ou encore Toutes nos envies de Philippe Lioret (2011), rôle pour lequel elle est nominée dans la catégorie Meilleure actrice aux Césars 2012. Parmi les nombreuses récompenses qu’elle a reçues, on peut mentionner l’Ours d’or au Festival de Berlin en 1995 ou le prix Romy Schneider en 1996.
Depuis 2008, Marie Gillain est ambassadrice bénévole de Plan Belgique en faveur des enfants dans les pays en développement.
Le 13 septembre 2012, Marie Gillain est élevée au rang d’officier du Mérite wallon.