C’est le hasard qui a mené Marilyn Lima sur les plateaux de tournage. Alors qu’elle a arrêté ses études en première, elle est contactée par la réalisatrice Eva Husson qui a déniché son blog et ses photos. Elle lui propose le rôle féminin principal du sulfureux Bang Gang (Une historie d’amour moderne). L’actrice incarne George, une adolescente de 16 ans qui entraîne sa bande d’amis dans un jeu pervers qui repousse les limites de leur sexualité. Cette prestation lui vaut de figurer sur la liste des Révélations aux César.
Sa carrière se poursuit ensuite à la télévision où elle apparaît dans les téléfilms Entre deux mères et Connexion intime. Mais c’est surtout la série Skam qui lui permet d’accéder à la notoriété. Adaptée d’un format norvégien du même nom qui est un véritable phénomène auprès des adolescents, Skam suit le quotidien de lycéens en abordant des thèmes comme le cyberharcèlement, la dépression, la bipolarité ou encore l’homosexualité. Les épisodes ont la particularité d’être dévoilés sur internet tout au long de la semaine à travers des séquences de deux à huit minutes avant d’être montrés dans leur totalité à la fin de la semaine. Elle rencontre sur le tournage son compagnon, l’acteur Michel Biel. En 2019, elle annonce qu’elle quitte la série à l’issue de la saison 4.
On la retrouve à l’affiche d’Une sirène à Paris, récit d'un amour impossible désormais disponible en VOD. Le réalisateur Mathias Malzieu a trouvé en elle la perle rare : « elle a un côté mystérieux et mutin, une certaine fragilité aussi : elle correspondait parfaitement à Lula. Dès qu'elle a ouvert la bouche, j'ai été convaincu et j’ai eu envie de filmer son regard qui lui donne cette dimension 'actrice du muet' qui ne s'appuie pas sur la parole ». L’actrice s’essaie pour l’occasion à la chanson : « J'ai été séduite par la perspective de chanter car sur un précédent tournage, j’avais découvert que je pouvais le faire assez bien. Mais cela restait un challenge ! ».
Marilyn Lima et Nicolas Duvauchelle parlent à notre micro d'"Une sirène à Paris" :