Diplômée de l’Ecole Polytechnique et de l'Ecole nationale des Ponts et Chaussées, Marie Villette débute sa carrière en 2005 au ministère de la Transition écologique et solidaire comme cheffe de bureau, puis chargée de mission pour la région capitale. En 2008, elle rejoint la mairie de Paris comme conseillère Transport et déplacements. En 2012, elle est nommée directrice de cabinet de la présidente de la métropole européenne de Lille puis directrice de Programme de SNCF Réseau en mars 2015.

De 2016 à 2019 elle rejoint l'Etablissement public du Parc et de la Grande Halle de la Villette comme directrice générale. Secrétaire générale du ministère de la Culture en 2019, elle était depuis septembre 2020 secrétaire générale de la Ville de Paris. 
 

Marie Villette est directrice générale adjointe en charge de la Gestion, des Moyens et de la Production depuis le 30 mars 2026.