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, cortometraje que cosechó más de 25 premios en festivales nacionales e internacionales. Fue coguionista de la película Chaco, del director boliviano Diego Mondaca, que se estrenó en el Festival de Cine de Róterdam en 2020. 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.  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, 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.