Après avoir débuté, adolescente, dans L'Hôtel de la plage en 1978, puis tourné dans la série à succès Pause-café, Marilyne Canto prend des cours de comédie au Théâtre National de Strasbourg, dont elle ressort diplômée en 1990. Ne tardant pas à s'imposer comme une des comédiennes les plus attachantes du jeune cinéma français, elle tourne avec des metteurs en scène aussi délicats que Manuel Poirier, Jean-Claude Biette ou Dominique Cabrera. Celle-ci lui offre quelques-uns de ses plus beaux rôles : la syndicaliste fervente de Nadia et les hippopotames (1997) ou la mère fugueuse du Lait de la tendresse humaine (2001).

La douce Marilyne Canto se révèle très à l'aise dans le registre de la fantaisie, comme l'ont prouvé ses prestations dans les comédies farfelues d'Herve Le Roux : Grand Bonheur en 1993 et On appelle ça... le printemps en 2001. Pierre Salvadori ne s'y trompe pas, qui lui confie en 2003 le rôle de la petite amie excédée de Daniel Auteuil dans Après vous. Trois ans plus tard, elle campe une juge d'instruction tout aussi opiniâtre que sa collègue Isabelle Huppert dans le corrosif L'Ivresse du pouvoir de Claude Chabrol. Assistante de Philippe Garrel sur Le Coeur fantôme en 1996, elle a par ailleurs signé deux courts-métrages : Nouilles en 1987, et, en 2005, Fais de beaux rêves (césar du meilleur court métrage). En 2012, elle réalise son premier long métrage Le sens de l'humour.