Nacida en Zaragoza, Pilar Palomero se licenció en Filología Hispánica por la Universidad de Zaragoza en 2003. En 2013 fue una de las 16 cineastas seleccionadas por el director húngaro Béla Tarr para participar en su proyecto colaborativo film.factory en Sarajevo (Bosnia y Herzegovina). Su primer largometraje, Las niñas (2020), se estrenó en la sección Generation Kplus del Festival de Berlín y recibió la Biznaga de Oro a la Mejor Película en el Festival de Málaga. La película ha acumulado numerosos premios y reconocimientos, entre ellos 4 Premios Goya (Mejor Película, Mejor Dirección Novel, Mejor Guion Original y Mejor Fotografía). En 2022 compitió en la Sección Oficial del Festival de San Sebastián con su segunda película, La maternal, que le valió a Carla Quilez la Concha de Plata a la mejor interpretación protagonista. Su tercer largometraje, Los destellos (2024), se estrenó en la Sección Oficial del Festival de San Sebastián, donde Patricia López Arnáiz fue galardonada con la Concha de Plata a la mejor interpretación protagonista. Además, el filme ha recibido 4 nominaciones a los Premios Goya en la presente edición y ha sido aclamada como una de los mejores películas del 2024 por la prensa española. Además forma parte del colectivo cinematográfico BISTRIK7 y ha participado en Berlinale Talents (2016 y 2021) y en Sarajevo Talents (2016).

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.