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 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, entre eles Fernando Cordella, Juliano Buosi, Rosana Lanzelotte, a harpista Liuba Klevtsova, a pianista Michiko Licciardi, 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.

Sua intensa atividade musical nas últimas temporadas, inclui recitais com diferentes orquestras, o papel titulo da ópera Alcina de Händel, e a dupla La Serva Padrona e Livietta e Tracollo, de Pergolesi, sob regência de Luis Otávio Santos no Theatro São Pedro, Magnificat de Bach e as Vésperas de Monteverdi Theatro Municipal de São Paulo, sob regência do maestro Roberto Minczuk, e a Compadecida na estréia de O Auto da Compadecida, com a Orquestra Ouro Preto, no Teatro da Paz, Teatro Amazonas, entre outras cidades brasileiras.

Seu trabalho de pesquisa e difusão da obra de mulheres compositoras tem se destacado em em concertos com diversas formações de câmara, como o projeto Mulheres na Música - compositoras através dos tempos,  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 as óperas de Tim Rescala O Alto da Compadecida, Hilda Furacão e Feliz Ano Velho, sobre o livro de Marcelo Rubens Paiva, 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 milhares de visualizações e comentários.

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 se iniciou com um recital com André Mehmari no primoroso Teatro da Cultura Artística, em São Paulo, e traz concertos com a Orquestra Sinfônica do Paraná, Orquestra Ouro Preto, o Messias de Händel com a Orquestra Sinfônica de Minas Gerais e o maestro Roberto Tibiriçá, com a Camerata Antiqua de Curitiba,  a Orquestra Sinfônica da Bahia sob regência de Carlos Prazeres, com a Camerata da Orquestra  Sinfônica da Ópera Nacional da China, entre outros grupos de referência, formações de câmara e como regente convidada do Coro da Camerata Antiqua de Curitiba.

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 também atua como regente. É professora convidada da Academia e Coral Juvenil do Neoijbá, em Salvador .