Marília Vargas começou a estudar música aos 5 anos. Inicialmente com o violino, logo descobriu seu gosto pelo canto. Debutou nos palcos aos 12 anos de idade, como Pastor na ópera Tosca, sob direção do maestro Alceo Bocchino no Teatro Guaíra, em Curitiba.

Formada em Canto Barroco na Schola Cantorum Basiliensis e em Lied e Oratório no Conservatório de Zurique, na Suíça, estudou com Neyde Thomas, Ulrich Messthaler, Montserrat Figueras, Christoph Prégardien e Silvana Bartoli. Mais tarde, laureada pela bolsa Funarte de Aperfeiçoamento Técnico e Artístico em Música, recebeu orientação da soprano Barbara Bonney. Foi premiada nos concursos Bidú Sayão, Maria Callas, Margherite Meyer e bolsista da Friedl Wald Stifftung.

Uma das mais ativas e respeitadas sopranos de sua geração, Marília Vargas divide seu tempo entre o ensino, a preparação vocal de coros e sua carreira de concertos,  por cidades do Brasil e do mundo. 

Entre suas colaborações com ensembles e orquestras, destacam-se suas diversas atuações com La Capella Reial de Catalunya, Le Parlement de Musique, Ensemble Turicum, Aargauer Symphonie Orchester, Zürcher Kammerorchester, Orquestra Sinfônica do Paraná, Orquestra Barroca de Juiz de Fora, Petrobras Sinfônica, Orquestra Sinfônica de Minas Gerais, Orquestra de Câmara de Curitiba, Orquestra Sinfônica Brasileira (OSB), Orquestra Ouro Preto, Orquestra Jovem do Estado de São Paulo, Orquestra do Theatro São Pedro, Orquestra Sinfônica do Theatro Municipal de São Paulo e Orquestra Sinfônica do Estado de São Paulo (OSESP), em diversos importantes teatros, entre eles o Theater Basel, Stadt Casino Bern, Tonhalle Zürich, Wiener Konzerthaus, Auditorium de Dijon, Arsenal Metz, Theatre Royal de Versailles, Berliner Konzerthaus, Auditorium e Liceo de Barcelona, Helsinki Music Centre, National Center of Performing Arts em Pequim, Teatro Guaíra, Palácio das Artes, Theatro Amazonas, Theatro da Paz, Theatro Municipal do Rio de Janeiro, Sala Cecília Meirelles, Theatro Municipal  de São Paulo, Theatro São Pedro e a Sala São Paulo.

Enquanto camerista, Marília Vargas tem estreita parceria com colegas artistas, como Ricardo Kanji, Rosana Lanzelotte e Guilherme de Camargo - com quem gravou o CD Tempo Breve que Passaste; com Silvana Scarinci - com quem gravou os CDs Safo Novella e Nossos Espíritos Livres; com o maestro e cravista Fernando Cordella e o violinista Juliano Buosi, com quem gravou o álbum Nove Árias Alemãs de G. F. Händel - com ornamentações de Nicolau de Figueiredo; com a harpista Liuba Klevtsova; com o pianista e multi-instrumentista André Mehmari - com quem gravou o CD Engenho Novo, e com violinista e maestro Luis Otávio Santos e seu ensemble Os Músicos de Capella.

Sua extensa discografia se completa com inúmeras gravações para rádio e TV brasileiras e européias (TV Brasil, TV Cultura, Arte, TVE, Mezzo).

Iniciou-se como letrista e compositora de canções em diferentes parcerias, especialmente com a compositora e pianista Juliana Ripke.

Sua intensa atividade musical nas últimas temporadas, inclui recitais com diferentes orquestras, a Paixão Segundo São João com o ensemble Os Músicos de Capella na série da Cultura Artística na Sala São Paulo, o papel titulo da ópera Alcina de Händel no Theatro São Pedro, e as Vésperas de Monteverdi Theatro Municipal de São Paulo. Em 2022 estreou o papel título de La Serva Padrona e Livietta e Tracollo no Theatro São Pedro. No mesmo foi Diane na ópera Actéon, de Charpentier, na série Ópera Fora da Caixa do Theatro Municipal de São Paulo, e a Compadecida na estréia de Auto da Compadecida - a ópera de Tim Rescala e Rodrigo Toffolo com a Orquestra Ouro Preto em diversas cidades brasileiras.

Abrindo a Temporada 2023 do Theatro São Pedro, Marília Vargas foi Belinda, na ópera Dido e Enéas, de Henry Purcell. Entre diversos concertos e recitais em diferentes formações, no decorrer do ano apresentou em cidades do Estado de São Paulo o concerto Mulheres na Música - compositoras através dos tempos, projeto aprovado pela Secretaria de Cultura e Economia Criativa do Estado de São Paulo, em edital de circulação estadual.

Marília Vargas é professora de Canto Erudito e Barroco na Escola de Música do Estado de São Paulo Emesp - Tom Jobim e preparadora vocal do Coral Jovem do Estado, onde tem também atuado como regente em diferentes programas. É também professora de Canto Lírico da Escola Municipal de Música de São Paulo; preparadora vocal do Coral Jovem Heliópolis do Instituto Baccarelli; e professora convidada da Academia e Coral Juvenil do Neoijbá, em Salvador .

Em março de 2024 estreia seu primeiro programa na Rádio Cultura FM, Mater Música - um panorama das mulheres compositoras através dos tempos.