Родилась 11 июля 1984 года в Нижнем Новгороде. В 2005 году окончила Нижегородское театральное училище (мастерская В.Ф. Богомазова), затем Школу-Студию МХАТ (мастерскую И.Я. Золотовицкого и С.И.Земцова). В спектакле Виктора Рыжакова «С любимыми не расставайтесь» Вилкова играла сразу три роли (Катя, Козлова и Она).

В 2007 году Вилкова сыграла одну из главных ролей в боевике «Нас не догонишь», но ее работа осталась незамеченной. Затем было несколько разноплановых ролей в фильмах и телесериалах и наконец более-менее яркая работа в мюзикле Валерия Тодоровского «Стиляги», где Вилкова сыграла Бэтси. Всероссийская слава пришла к актрисе лишь в 2009 году, когда она приняла участие в крупнобюджетном проекте Тимура Бекмамбетова «Черная молния».