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, Europa e Ásia. 

Entre suas colaborações com ensembles e orquestras, destacam-se suas diversas atuações com La Capella Reial de Catalunya, Le Parlement de Musique, Zürcher Kammerorchester, Orquestra Sinfônica do Paraná, Orquestra Sinfônica de Minas Gerais, Camerata Antiqua de Curitiba, Orquestra Sinfônica Brasileira, 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, 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, Sala Minas Gerais, 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 Fernando Cordella, Juliano Buosi, Rosana Lanzelotte, Ricardo Kanji, a harpista Liuba Klevtsova, a pianista Michiko Licciardi, o pianista e multi instrumentista André Mehmari e com Luis Otávio Santos e seu ensemble Os Músicos de Capella.

Inúmeras gravações para rádio e TV brasileiras e européias (TV Brasil, TV Cultura, Arte, TVE, Mezzo) incrementam sua extensa discografia, da qual destacam-se os álbuns: Engenho Novo, em parceria com o compositor e multi-instrumentista André Mehmari; Viagem Infinita, com  Jairo Wilkens e Clenice Ortigara; Nossos espíritos livres, dedicado às canções francesas do século XVII, vencedor da categoria melhor CD, voto público do Prêmio Concerto de 2021; Paisagens da China, dedicado à canção chinesa com o Ensemble Gao Shan Liu Shui; e Nove Árias Alemãs, de G. F. Händel, com ornamentações de Nicolau de Figueiredo.

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, o papel titulo da ópera Alcina de Händel no Theatro São Pedro, Magnificat de Bach e as Vésperas de Monteverdi Theatro Municipal de São Paulo, o papel título de La Serva Padrona e Livietta e Tracollo no Theatro São Pedro, 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.

Em sua temporada artística de 2024 destacaram-se seus concertos com importantes orquestras brasileiras: Orquestra Sinfônica do Paraná, Orquestra Sinfônica de Porto Alegre, Orquestra Sinfônica da Bahia e a Orquestra Filarmônica de Minas Gerais.  Entre recitais em diferentes formações, foi também regente convidada do Coro da Camerata Antiqua de Curitiba.

Pesquisadora e grande interessada na visibilidade da música de mulheres compositoras,  apresentou em diversas cidades o concerto Mulheres na Música - compositoras através dos tempos,  um projeto aprovado pela Secretaria de Cultura e Economia Criativa do Estado de São Paulo.

Destacam-se também suas amplas colaborações com o Ensemble Bach Brasil, em Porto Alegre e com a Orquestra Ouro Preto, com quem estreou a ópera Hilda Furacão de Tim Rescala, sob regência de Rodrigo Toffolo.

A convite do Itamaraty, Marília Vargas cantou “Minha Pátria”, canção chinesa em Mandarim, na ocasião da visita do presidente chinês ao Palácio da Alvorada. O vídeo da perfomance viralizou na China, obtendo milhões de visualizações e comentários.

Ainda em 2024 estreou seus dois primeiros programas na Rádio Cultura FM, Mater Música - um panorama das mulheres compositoras através dos tempos, e A voz do barroco.

A temporada de 2025 inclui um recital com André Mehmari no primoroso Teatro da Cultura Artística, em São Paulo, além de concertos com a Orquestra Sinfônica do Paraná, Orquestra Ouro Preto, Orquestra Sinfônica de Minas Gerais, Camerata Antiqua de Curitiba, Orquestra Sinfônica da Bahia, entre outros grupos de referência.

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 também atua como regente. É professora de Canto Lírico da Escola Municipal de Música de São Paulo, e professora convidada da Academia e Coral Juvenil do Neoijbá, em Salvador .