Nascida em Espanha, Pilar licenciou-se em Filologia Hispânica na Universidade de Saragoça em 2003. Em 2006, Pilar licenciou-se em Cinematografia na Escola de Cinema de Madrid (ECAM). Em 2009, realizou Niño Balcón, uma curta-metragem que teve uma extensa trajetória em festivais nacionais e internacionais, ganhando mais de 25 prémios e mais de 150 seleções. O Festival de Cinema de Málaga, o Festival de Cinema de Huesca, o Festival de Cinema de Varsóvia, o Festival de Cinema de San Luis ou o Festival Internacional de Cinema de Puchon foram alguns desses festivais. Durante este período, Pilar combinou os seus projetos cinematográficos trabalhando como argumentista para televisão e como co-argumentista da longa-metragem Chaco, do realizador boliviano Diego Mondaca, recentemente estreada no Festival de Cinema de Roterdão 2020. Trabalhou também como professora de escrita de guiões e fotografia. A sua carreira profissional deu uma volta de 180º quando, em 2013, foi uma das 16 cineastas selecionadas pelo realizador húngaro Béla Tarr para participar no seu projeto colaborativo film.factory em Sarajevo (Bósnia e Herzegovina). Na film.factory teve a oportunidade de trabalhar e aprender cinema com alguns dos mais importantes críticos, realizadores e teóricos da indústria cinematográfica contemporânea, como Gus Van Sant, Carlos Reygadas, Apichatpong Weerasethakul, Pedro Costa, Cristian Mungiu, Guy Maddin, Tilda Swinton, Juliette Binoche, Gael García Bernal, Jean-Michel Frodon, Rasha Salti, Thierry Garrel, Jonathan Rosenbaum, Jytte Jensen, entre outros. Durante este período, escreveu e realizou as curtas-metragens Noć (2015) e La Noche de todas las cosas (2016), esta última produzida pela Inicia Films e desenvolvida no âmbito do European Short Pitch da NISI MASA, que integrou, entre outras, a secção oficial do Festival Internacional de Curtas-Metragens de Busan. Realizou também a média-metragem Zimsko Sunce (2017), que recebeu uma menção especial do júri de filmes da Bósnia e Herzegovina no último Festival de Cinema de Sarajevo e foi estreada em Espanha no Festival de Cinema de Alcalá de Henares de 2017 e no Festival Márgenes, e o documentário criativo Horta (2017), que teve a sua estreia mundial no prestigiado Doclisboa'17 e foi selecionado na DocumentaMadrid, no D'A Festival de Cine de Autor, no Festival de Cine de Málaga e no Frames of Representation no Institute of Contemporary Art em Londres, entre outros. Em 2020, Pilar estreou a sua primeira longa-metragem, Las Niñas, no Festival de Cinema de Málaga, com a qual ganhou o prémio Biznaga de Ouro para Melhor Filme. Após a sua exibição no festival, o filme chegou às salas de cinema comerciais com grande sucesso de público e crítica. Desde a sua estreia, não parou de acumular prémios e reconhecimentos, incluindo 4 Prémios Goya (Melhor Filme, Melhor Novo Realizador, Melhor Argumento Original e Melhor Fotografia), fazendo história ao tornar-se a primeira realizadora a ganhar os prémios de Melhor Novo Realizador e Melhor Filme pelo mesmo projeto. O filme produzido pela Inicia Films e pela Bteam Pictures foi também o grande vencedor dos Prémios Feroz e dos Prémios Forqué, para além de inúmeros outros prémios em diferentes festivais e mostras de cinema nacionais. Pilar participou também no Berlinale Talents em 2016 e 2021 e no Sarajevo Talents 2016. Faz parte do coletivo de cinema BISTRIK7. Em 2020 foi selecionada para participar nas Residências da Academy of Motion Picture Arts and Sciences Cinematographiques, com a qual desenvolveu o seu próximo projeto, La Maternal, O filme estreou na secção oficial da última edição do Festival Internacional de Cinema de San Sebastian, pelo qual a sua atriz principal, Carla Quílez, ganhou a Concha de Prata para Melhor Desempenho. O filme foi recentemente lançado com grande aclamação da crítica e foi nomeado para os prémios Feroz de Melhor Realizador (Pilar Palomero), Melhor, Melhor Atriz Principal (Carla Quílez) e Melhor Atriz Secundária (Ángela Cervantes) e também para os prémios Goya de Melhor Realizador, Melhor Filme e Melhor Atriz Secundária. Acaba de rodar o seu último filme, Los destellos, que aguarda estreia.