Participant aux spectacles de théâtre organisés dans son village natal, Marthe Villalonga étudie l'art dramatique au Conservatoire d'Alger. Installée à Paris, elle se produit sur scène, jouant dans les pièces Purée de nous z'otres, Je veux voir Mioussov ou encore Mesure sur mesure, et à la télévision dans les séries Janique aimée (1963), Les Saintes chéries (1965) et Agence intérim (1969). Elle apparaît pour la première fois au cinéma aux côtés d'Annie Girardot dans Déclic et des claques (1965) de Philippe Clair.

Actrice fidèle à André Cayatte (La Mandarine (1972), Il n'y a pas de fumée sans feu (id.), Verdict (1974) et A chacun son enfer (1977)), elle accède à la consécration avec son personnage de mère abusive de Guy Bedos dans les deux comédies d'Yves Robert : Un éléphant, ça trompe énormément (1976) et Nous irons tous au paradis (1977). Alter ego féminin de Robert Castel, Marthe Villalonga est souvent cantonnée à des rôles de mère Pied-noir exubérante, comme en témoignent ses prestations dans Inspecteur la Bavure (1980) et Banzaï (1983) aux côtés de Coluche, Trois hommes et un couffin (1985) et Pizzaiolo et Mozzarel (id.). Elle côtoie à quatre reprises Roger Hanin à l'écran, incarnant son épouse dans Le Sucre (1978), Le Coup de sirocco (1979), Le Grand carnaval (1983) et sa mère dans La Baraka (1982).

A partir de 1985, elle explose sur le petit écran en interprétant la très populaire femme de ménage Rose Plouhannec dans la série télévisée Maguy. Marthe Villalonga se montre également à l'aise dans un registre plus dramatique, faisant preuve de sensibilité sous la direction d'André Techiné dans Les Innocents (1987), Alice et Martin (1998) et Ma saison préférée (1993), où elle campe de manière inattendue et remarquable la mère de Catherine Deneuve et de Daniel Auteuil.

Très active au théâtre et à la télévision (Tramontane (1999), Docteur Sylvestre (id.), Judicaël (2001), Le Divin enfant (id.), Nés de la mère du monde (id.)), elle revient épisodiquement au cinéma en étant à l'affiche du Lait de la tendresse humaine (2001), de la comédie Lovely Rita (2003) aux côtés de Christian Clavier, et en prêtant ses traits à la mère des Dalton (2004). La même année, elle apparaît dans Au secours, j'ai 30 ans !, une comédie signée Marie-Anne Chazel, puis dans le Comme t'y es belle! (2006). Plusieurs années après, on la retrouve dans une autre comédie française aux côtés de toute une nouvelle génération d'acteurs : Nous York (2012), réalisé par Géraldine Nakache et Hervé Mimran.

Après deux apparitions dans les comédies Turf et Supercondriaque, la comédienne de 83 ans en 2015 joue le rôle principal de La Dernière leçon aux côtés de Sandrine Bonnaire, celui d'une grand-mère ayant choisi de fixer la date et les conditions de sa disparition. On la voit ensuite dans Brillantissime et les deux films consacrés aux Municipaux, réalisés par Les Chevaliers du Fiel Eric Carrière et Francis Ginibre, dans le rôle de la mère du second. En 2021, Marthe Villalonga sera à l'affiche de Maison de Retraite (M.D.R.) emmené par Kev Adams et Gérard Depardieu, où un jeune homme (Adams) condamné à un travail d’intérêt général est intégré à une maison de retraite...