Marie-Claude Treilhou collabore aux revues Cinéma et Art Press de 1974 à 1977. Après avoir été l'assistante en 1978 de Paul Vecchiali sur Corps à cœur, elle se lance dans la réalisation, en 1979, avec Simone Barbès ou La Vertu. La matière de ce film a été nourrie par l'expérience de la réalisatrice qui a travaillé longtemps comme vendeuse, coursière, enquêtrice, caissière, ouvreuse...

Naviguant entre fiction et documentaire, elle obtient le prix Jean-Vigo pour son court métrage Lourdes, l'hiver. Après L'Âne qui a bu la lune, adaptation de contes méridionaux, elle fait exceptionnellement appel à des comédiens professionnels avec Le Jour des rois, ou la folle équipée de trois vieilles dames incarnées par Danielle Darrieux, Paulette Dubost et Micheline Presle accompagnées de Robert Lamoureux et de Michel Galabru.

Mais les héros de Marie-Claude Treilhou sont le plus souvent des gens ordinaires traversés par les grands bouleversements de l'Histoire ou bien portés par un travail qui les transforme et dont elle veut communiquer l'enthousiasme, le perfectionnisme et la grâce à travers son travail documentaire : Il était une fois la télé (1985), Comme si, comme ça avec le poète et penseur Michel Deguy (2019), et son triptyque musical Au cours de musique (2000), Les Métamorphoses du chœur (2003), Couleurs d’orchestre (2008).

La cinéaste fait quelques apparitions dans des films d'amis comme Corps à cœur de Vecchiali et, à l'inverse, réunit Claire Simon, Dominique Cabréra, Alain Guiraudie, André Van In et Ingrid Bourgoin (qui incarnait Simone Barbès) dans Un petit cas de conscience en 2002.
Aujourd'hui, Marie-Claude Treilhou enseigne aux Ateliers Varan en Occitanie dont elle est originaire, ateliers de formation au cinéma documentaire basés à Paris.

En 2021, Marie-Claude Treilhou est l'invitée d'honneur des 37e Rencontres Cinéma de Gindou dans le Lot (21-28 août), une rétrospective de ses films est programmée en sa présence.