Nacida en España, Pilar se graduó en Filología Hispánica en la Universidad de Zaragoza en 2003. En 2006, Pilar se graduó en Cinematografía en la Escuela de Cine de Madrid (ECAM).

En 2009, dirigió Niño Balcón, un cortometraje que disfrutó de una extensa trayectoria en festivales nacionales e internacionales, ganando más de 25 premios y siendo seleccionado en más de 150 ocasiones.

Durante este período, Pilar combinó sus proyectos cinematográficos trabajando como guionista para televisión y como coguionista de la película Chaco, del director boliviano Diego Mondaca, que se estrenó en el Festival de Cine de Róterdam en 2020.

Su carrera profesional dio un giro de 180 grados cuando en 2013 fue una de las 16 cineastas seleccionadas por el director de cine húngaro Béla Tarr para participar en su proyecto colaborativo film.factory en Sarajevo. En film.factory tuvo la oportunidad de trabajar y aprender sobre cine de algunos de los críticos, directores y teóricos más importantes de la industria cinematográfica contemporánea.

Durante este período, escribió y dirigió los cortometrajes Noć (2015) y La Noche de todas las cosas (2016), que formaron parte de la sección oficial del Festival Internacional de Cine Corto de Busan. También dirigió el mediometraje Zimsko Sunce (2017), que recibió una mención especial del jurado de películas de Bosnia y Herzegovina en el último Festival de Cine de Sarajevo y se estrenó en España en el Festival de Cine de Alcalá de Henares en 2017 y en el Festival Márgenes, y el documental creativo Horta (2017), que tuvo su estreno mundial en el prestigioso Doclisboa’17 y fue seleccionado en DocumentaMadrid, D’A Festival de Cine de Autor, Festival de Cine de Málaga y en los Frames of Representation en el Institute of Contemporary Art en Londres, entre otros.

En 2020, Pilar estrenó su primer largometraje Las Niñas en el Festival de Cine de Málaga, con el que ganó la Biznaga de Oro a la Mejor Película. Después de su proyección en el festival, llegó a los cines comerciales con gran éxito tanto de público como de crítica.Desde su estreno, no ha dejado de acumular premios y reconocimientos, incluyendo 4 Premios Goya (Mejor Película, Mejor Nuevo Director, Mejor Guión Original y Mejor Fotografía), haciendo historia al convertirse en la primera directora en ganar los premios de Mejor Nuevo Director y Mejor Película por el mismo proyecto.

En 2022, estrenó La Maternal en la sección oficial del Festival Internacional de Cine de San Sebastián, por la cual su actriz principal, Carla Quílez, ganó la Concha de Plata a la Mejor Interpretación. La película ha sido lanzada con gran aclamación crítica y ha sido nominada a los Premios Feroz en las categorías de Mejor Directora (Pilar Palomero), Mejor Actriz Protagonista (Carla Quílez) y Mejor Actriz de Reparto (Ángela Cervantes), así como a los Premios Goya en las categorías de Mejor Director, Mejor Película y Mejor Actriz de Reparto. En los Premios Gaudí su actriz Ángeles Cervantes gana el Premio a Mejor Actriz Secundaria​.​

Este mismo año dirigió la serie Venga Juan y en 2023 coescribe junto a Álex Lora, Mariana Minguez el largometraje  Unicors, estrenado en el Festival de Málag​a.​​​

En 2024, estrena a nivel mundial su tercer largometraje Destellos en el Festival de San Sebastián​, en competición oficial. Y está preparando su siguiente largometraje, Juana.

“LA MATERNAL” 2022

• Festival Internacional de San Sebastián
  Premio a Mejor Actriz Protagonista
• Premios Gaudí
  Cinco nominaciones. Ganadora de mejor actriz de reparto y mejor interpretación novel.
• Festival de cine de Estocolmo.
  Ganadora por Mejor Película.
• Festival de Cine de España de Toulouse
  Ganadora por Mejor Película.
  Ganadora del Premio Jurado Estudiantil.
  Ganadora del Premio del Mejor Director de Fotografía (Julián Elizalde).
  Ganadora del Premio Mejor Diseñador de Sonido (Leo Dolgan).
• Días de Cine Award
  Ganadora del Premio Ha nacido una estrella (Carla Quílez).

“LAS NIÑAS” 2021

• Premios ASECAN
  Ganadora del Premio Película española sin producción andaluza.
• Premios Goya
  Nominada a Mejor Película, Mejor dirección Novel, Mejor Actriz de Reparto, Mejor Guión Original, Mejor Dirección de Fotografía, Mejor Montaje, Mejor Canción Original, Mejor diseño de Vestuario, y Mejor Dirección Artística.
• Premios Feroz
  Nominada a Mejor Película Dramática, Mejor dirección, Mejor Guión, Mejor Actriz Protagonista (Andrea Fandos), Mejor Actriz de Reparto (Natalia Molina) y Mejor Tráiler.
• Premios Cinematográficos José María Forqué. 26 Edición
  Ganadora a Mejor largometraje de ficción y/o animación.
• Medallas CEC 76 Edición
  Nominada a Mejor Película, Mejor Director Revelación, Mejor Actriz Secundaria (Natalia de Molina), Mejor Actriz Revelación (Andrea Fandos), Mejor Guión Original, Mejor Fotografía.
• CIBRA Carlos Blanco
  Premio Carlos Blanco a Mejor Película con Guión Original.
• VIII Premios “Días de Cine”
  Mejor Película Española Del Año
• XIII Premios Gaudí
  Trece nominaciones: Mejor película en lengua no catalana, Mejor dirección, Mejor Guión, Mejor Protagonista femenina, Mejor Actriz Secundaria (Natalia de Molina), Mejor dirección de producción, Mejor dirección artística, Mejor montaje, Mejor Música Original, Mejor Fotografía, Mejor Vestuario, Mejor Sonido y Mejor Maquillaje y Peluquería.