Marilena Pillati è nata nel 1965 a Bologna, dove vive insieme al marito e alle loro due figlie.
Laureata con lode in Scienze Statistiche ed Economiche, dopo un periodo di studio all'Université Catholique de Louvain, ha conseguito il Dottorato di ricerca in Metodologia statistica per la ricerca scientifica all'Università di Bologna, dove dal 2002 è professore di Statistica al Dipartimento di Scienze Statistiche Paolo Fortunati.
E' membro della Società Italiana di Statistica, del Gruppo di Classificazione e Analisi dei Dati della SIS (CLADAG). La sua ricerca si è indirizzata ad aspetti teorici e applicativi dell’analisi statistica multivariata, con riferimento a problemi di regressione, classificazione e riduzione delle dimensioni. È autrice di pubblicazioni scientifiche in tema di reti neuronali artificiali, alberi di classificazione e regressione, combinazioni di predittori, metodi non lineari per la riduzione delle dimensioni, modelli a variabili latenti, modelli multilivello. I contributi applicativi più recenti hanno riguardato l’impiego di modelli statistici per la valutazione delle competenze e dei percorsi formativi.
L’impegno politico nasce a seguito di un impegno attivo all’interno di comitati di genitori. Eletta nel 2004 nel Consiglio del Quartiere Savena, ha coordinato fino al 2009 la commissione Scuola e politiche per l'infanzia.
Membro della direzione provinciale dei Democratici di Sinistra di Bologna, nel 2007 ha assunto l’incarico di responsabile delle Politiche dei sistemi formativi.
Ha preso parte alla fase costituente del Partito Democratico e dal dicembre 2007 al 2011 è stata responsabile Scuola del Pd dell’Emilia-Romagna.Nel 2009 è eletta per la prima volta nel Consiglio comunale di Bologna nella lista del Partito Democratico. Alle elezioni amministrative del 15-16 maggio 2011 e a quelle del 5 giugno 2016 è risultata nuovamente eletta.
Nel mandato amministrativo 2011 – 2016 ha ricoperto l'incarico di Assessore alla Scuola, Formazione e Politiche per il Personale.
