Après sa formation à l’école du TNS, Pauline Lorillard joue à plusieurs reprises au théâtre sous la direction de Stéphane Braunschweig (Ibsen, Tchekhov, Molière, Arne Lygre) et également dans les spectacles de Guillaume Vincent (Virginia Woolf, Marivaux, Wedekind et dans La nuit tombe… de Guillaume Vincent lui-même), de Vincent Macaigne (Idiot !, Je suis un pays, Idiot ! parce que nous aurions dû nous aimer) mais aussi sous la direction de Laurent Gutmann, Jonathan Châtel, Robert Cantarella, Nicolas Maury, Claude Duparfait, Thomas Blanchard, Simon Stone et plus récemment Laurent Charpentier dans Frères et sœur au Théâtre de la Ville.
Au cinéma, on peut la voir dans les films de Mia Hansen-Løve, Bertrand Mandico (Les Garçons sauvages, Ultra Pulpe, After Blue), Vincent Macaigne (Pour le réconfort), Nicolas Maury (Virginie ou la capitale, Garçon Chiffon), Sébastien Betbeder, et dans les courts métrages de Jean-Baptiste Saurel, Alexis Diop, Anton Bialas, Marthe Sébille, Julien Gaspar-Oliveri, Anne-Sophie Bailly ou dans le moyen métrage Sainte-Baume de Laetitia Spigarelli pour lequel elle a reçu le prix d’interprétation au festival Côté Court de Pantin en 2021.