Marie Wilke arbeitete zunächst als Filmvorführerin und sammelte praktische Filmerfahrungen als Regie- und Produktionsassistentin bei diversen Spiel- und Dokumentarkurzfilmen. Schließlich absolvierte sie ein Studium im Fach Regie und Montage an der Schule für Dokumentarfilm, Fernsehen und Neue Medien 'Zelig' in Bozen, Italien, gefolgt von einem Studium im Fach Experimentelle Mediengestaltung an der Universität der Künste (UdK) Berlin, wo unter anderem Jutta Brückner, Heinz Emigholz und Harun Farocki zu ihren Lehrern gehörten.

Während der Studienzeit arbeitete Wilke als Filmkritikerin für eine Tageszeitung und zeichnete als Kamerafrau unter anderem bei dem Dokumentarfilm "Ad occhi chiusi" ("Mit geschlossenen Augen", IT 1998) verantwortlich; in Italien und Deutschland wirkte sie als Cutterin an Dokumentarfilmen, Nachrichtenbeiträgen und Reportagen mit. Ab 1999 realisierte sie eigene Dokumentarfilme und Videoinstallationen und war als Dozentin für Regie und Schnitt an ihrer alma mater in Bozen tätig. Ihr mittellanger Dokumentarfilm "Con anima e corpo" ("Mit Leib und Seele”, IT 2000) lief auf mehreren internationalen Festivals. 2004 wurde sie Künstlerische Mitarbeiterin für Dokumentarfilmregie an der Hochschule für Film und Fernsehen "Konrad Wolf" in Potsdam-Babelsberg. Im Jahr darauf schloss sie mit dem Dokumentarfilm "Berlin Eins Dunkel" ihr Studium ab der UdK ab.

Im Jahr 2012 begann Marie Wilke mit den Dreharbeiten zu ihrem dritten langen Dokumentarfilm, "Staatsdiener", über Studenten einer Polizeischule in Sachsen-Anhalt. Der Film feierte beim Münchner Filmfest 2015 Premiere und startete im gleichen Jahr in den deutschen Kinos.

Im Forum der Berlinale 2018 stellte Marie Wilke ihren nächsten Dokumentarfilm vor: "Aggegrat", über die Interaktion von Öffentlichkeit, Medien und Politik in Zeiten von Flüchtlingskrise und rechtspopulistischen Parolen. Bei der Duisburger Filmwoche gewann der Film den Carte Blanche Nachwuchspreis. Im November 2018 startete "Aggegrat" in den Kinos.

Ebenfalls 2018 begann Wilke unter dem Titel "Höllental" mit der Arbeit an einer sechsteiligen TV-Dokumentation über den bis heute ungeklärten Mord an Peggy Knobloch (1992-2001). Die Ausstrahlung folgte im Januar 2021.