Après avoir débuté la danse à Caen, sa ville natale, Marie-Agnès Gillot entre à l’École de danse de l’Opéra national de Paris en 1985. Cinq ans plus tard, à l’âge de 15 ans, elle est admise avec dispense dans le Corps de ballet. Finaliste du 15e Concours international de danse de Varna en 1992, elle est promue « Sujet » en 1994, « Première danseuse » en 1999 et est nommée « Étoile », sur proposition de Brigitte Lefèvre, à l’issue de la représentation de Signes de Carolyn Carlson, le 18 mars 2004, première nommée sur un ballet contemporain. Marie-Agnès Gillot, parfaite interprète des grands ballets classiques, est en effet très sollicitée par les chorégraphes contemporains. Mélange de force et de fragilité, elle est tour à tour femme fatale (telle L’Étrangère dans Clavigo de Roland Petit ou La Mélodie du Boléro de Maurice Béjart), personnage romantique (Catherine dans Wuthering Heights de Kader Belarbi ou Eurydice de Pina Bausch), cruel (Médée dans Le Songe de Médée d’Angelin Preljocaj), libre et insolent (La Servante de La Maison de Bernarda de Mats Ek). Une technique virtuose qu’elle met également au service d’Edouard Lock (AndréAuria), Wayne McGregor (Genus, L’Anatomie de la sensation), Benjamin Millepied (Triade), Jiří Kylián (Kaguyahime), William Forsythe (The Vertiginous Thrill of Exactitude, Approximate Sonata), Sidi Larbi Cherkaoui et Damien Jalet (Boléro) et bien d’autres... Pour Sophie Calle, qui représente la France à la Biennale de Venise de 2007, elle donne son interprétation de Prenez soin de vous et danse avec les cygnes de Swan, un ballet de Luc Petton créé à Chaillot - Théâtre national de la Danse en juin 2012.
Un goût pour l’éclectisme que Marie-Agnès Gillot exerce dans le domaine de la chorégraphie. Ainsi, elle crée de petites pièces qu’elle présente à l’Opéra dans le cadre de soirées caritatives et se fait remarquer avec ses Rares Différences, qu’elle crée en 2007 pour une danseuse et deux danseurs de hip-hop lors du festival Suresnes Cités Danse. Avec ce ballet, qui se veut autobiographique, Marie-Agnès Gillot s’inspire de l’œuvre de Rodin en sculptant la matière à même les danseurs. Elle crée également ART ÈRE, sur le Trio élégiaque de Serguei Rachmaninov, pour le Junior Ballet classique du Conservatoire national supérieur de Musique et de Danse de Paris en 2009. Enfin, en 2011, elle se produit aux côtés d’Alice Renavand sur la scène du Festival de Royan « Un Violon sur le sable » avec deux pièces : Blanche marine qu’elle chorégraphie sur Aquarium, extrait du Carnaval des animaux de Camille Saint-Saëns, et Black back sur le Concerto pour clarinette de Mozart.
En octobre 2012, elle présente Sous Apparence, sa première création pour le Ballet de l’Opéra national de Paris.
De multiples reprises (Palais de cristal de George Balanchine, Orphée et Eurydice de Pina Bausch, La Nuit transfigurée
de Anne Teresa De Keersmaeker) et créations (pour Benjamin Millepied ou Wayne McGregor en 2015, Crystal Pite en 2016) s’ajoutent à son répertoire depuis. Elle fait ses adieux officiels à l’Opéra national de Paris en mars 2018 lors d’une représentation émouvante d’Orphée et Eurydice de Pina Bausch.
En novembre 2009, elle créé un Flashmob pour l’association La Chaîne de l’Espoir sous la pyramide du Louvre. Elle est également investie dans l’association ICCARRE pour laquelle elle créée un pas de deux avec Blanca Li en décembre 2014 à la Maison Jean-Paul Gaultier.
Après des clips pour Arthur H, REM et Benjamin Biolay, on l’a vue danser aux côtés de Marianne Faithfull, de Katia et Marielle Labèque ou lors du spectacle annuel des Enfoirés.
Elle joue avec Pippo Delbono et est également l’égérie de plusieurs marques de luxe comme Celine ou Repetto.
Elle crée également des événements pour Cartier ou le Musée du Louvre.
Deux de ses œuvres sont exposées au Palais de Tokyo. Elle crée TU ES dans le cadre de la Nuit Blanche 2016, sur la musique du Boléro de Ravel, un duo qu’elle a chorégraphié et dansé à partir des mouvements inspirés de son travail avec les prisonniers de la Maison centrale d’arrêt de Arles.
En novembre 2018, elle fait ses débuts au théâtre dans Peau d’Âne au Théâtre Marigny à la demande de
Jean-Luc Choplin. En janvier 2019, elle apparaît au cinéma aux côtés de Pierre Richard dans À cause des filles...? de Pascal Thomas.
En mars 2019, elle met en scène les « créatures » de Madame Arthur dans une revue inspirée des chansons de Zizi Jeanmaire. La Seine Musicale lui offre une Seine libre pendant la saison 2019-2020. Elle y convie des artistes aussi différents que Carla Bruni, Simon Ghraichy, Arthur H, Slimane, Laurence Equilbey, Jenifer... et y interprète ses propres chorégraphies ainsi que celles de Roland Petit, Carolyn Carlson ou Nada Kano.
Elle crée en décembre 2019 MAGMA avec le danseur de flamenco Andrés Marin et Christian Rizzo au Festival international de danse de Cannes. Ce spectacle part en tournée pendant toute la saison et s’arrête à Chaillot - Théâtre national de la Danse à Paris en janvier et février 2019. En septembre 2022, sort aux Éditions Gründ un livre autobiographique Sortir du cadre qui obtient le grand prix du Syndicat de la critique et devient jury dans Danse avec les Stars. Durant l’été 2023, elle est l’interprète de la création À l’Ombre de la Jeune Fille de Mathieu Guilhaumon lors d’une grande tournée sud-américaine puis danse dans le Gala Callas du Palais Garnier ou encore à la Fondation Louis Vuitton.
Aujourd’hui, en plus de ses projets de scène, elle transmet dans son fief normand aussi bien que dans le monde entier (Danemark, Chili...) sa connaissance du ballet classique et contemporain.
Elle est Chevalier dans l’ordre de la Légion d’Honneur, dans l’ordre du Mérite et dans celui des Arts et des Lettres.