Après avoir été assistante sociale, Marie Vermillard devient scripte cinéma. En 1992, elle réalise son premier court métrage Reste. Suivront deux autres films, Quelqu'un (1995) et Chantal (1997). Reste (1992) et Quelqu'un (1995) sont programmés dans plusieurs festivals et lui valent une certaine renommée. En 1997, elle coréalise Chantal avec Zaïda Ghorab-Volta puis Eau douce, un moyen métrage distribué ensalles. Elle réalise l'année suivante son premier long métrage, Lila Lili. Suivront Imago, Libre à tout prix, Petites Révélations et deux films en collaboration avec Joël Brisse, La fin du règne animal et Suite Parlée. Parallèlement, elle réalise des films/essais : Les derniers pas, Aveuglés beuglent, 9 Kaïhus, Les dormeuses, Je vis sur Terre...