Si la comédie était son rêve, Pascale Arbillot ne s'est pas tout de suite engagée dans cette voie, puisque ce n'est qu'après un passage par Sciences Po qu'elle a fait ses débuts sur les planches, avant d'apparaître au générique de L'Affaire de Sergio Gobbi, en 1994.

Un premier rôle qui sera suivi, deux ans plus tard, d'une participation au court métrage de François Ozon, Scènes de lit, dans l'épisode de "L'Homme idéal". Suite à ce rôle, la comédienne se partage entre théâtre, télévision (dans la série Crimes en série) et cinéma, grâce auquel il est possible de la voir dans Le Sourire du clown où elle tient le premier rôle féminin aux côtés de Ticky Holgado et Vincent Elbaz ou dans L'Extraterrestre, où elle donne la réplique à Didier Bourdon et Bernard Campan.

Au cours des années 2000, Pascale Arbillot tourne sous la direction de son compagnon Artus de Penguern, dans Grégoire Moulin contre l'humanité, mais également sous celle d'Arnaud Viard (Clara et moi), avant de décrocher l'un des rôles principaux de la série Merci, les enfants vont bien !, qu'elle tiendra tout au long des 3 saisons. La comédienne n'en délaisse pas pour autant le cinéma, puisqu'elle joue dans le film noir Un printemps à Paris, la comédie Notre univers impitoyable ou encore Parlez-moi de la pluie, troisième réalisation d'Agnès Jaoui. En 2009, on la retrouve dans la première de Gad Elmaleh (Coco), jouant l'épouse du héros, obligée de subir ses délires mégalomaniaques.

C'est dans un registre de "comédie de couples" qu'elle figure ensuite, avec le bien nommé Divorces en 2009, suivi des Meilleurs amis du monde. L'année d'après lui offre une place au générique de la très attendue réalisation de Guillaume Canet, Les Petits mouchoirs, où elle intègre une nouvelle fois un groupe d'amis, réuni pour les vacances suite à l'annonce d'un bouleversant événement. Pascale incarne ensuite la femme de François Damiens dans Une Pure affaire avant de rejoindre François Cluzet dans L'Art d'aimer.

En 2015, la comédienne croise la route de Franck Dubosc et Gérard Lanvin dans Pension complète. L'année suivante, elle campe une mère dépassée par l'émancipation de ses adolescentes dans Juillet Août avant de devenir la meilleure amie d'Agnès Jaoui dans Aurore. Très active, l'actrice s'illustre dans Momo aux côtés de Christian Clavier puis brille en compagne d'un Alex Lutz grimé en papy chanteur dans Guy. En 2019, elle reprend son rôle d'Isabelle dans Nous finirons ensemble, suite des Petits mouchoirs.

Solide second rôle, Pascale Arbillot prend part à Mon chien Stupide d'Yvan Attal, J'irai où tu iras de Géraldine Nakache, Le Meilleur reste à venir de Matthieu Delaporte et Alexandre De La Patellière, Les Apparences de Marc Fitoussi, Mon cousin de Jan Kounen, Présidents d'Anne Fontaine et Haute couture de Sylvie Ohayon. Dans Le Chemin du bonheur, elle joue l'un des deux personnages principaux, aux côtés de Simon Abkarian. Le film sort en 2022, année où elle partage l'affiche de Murder Party, On sourit pour la photo et Irréductible.