Licenciada en Derecho y Periodismo, se gradúa en 1968 como guionista en la Escuela Oficial de Cinematografía (EOC), donde más tarde fue profesora de montaje y guión.

Ya en 1960 había empezado a trabajar en televisión como auxiliar de redacción. Más tarde, trabajó como realizadora de los programas televisivos Novela (1962), Revista de mujer (1963), Un tema para el debate (1965), Pequeño estudio (1968) y Ritmo 70 (1970), presentado por José María Íñigo; y Curro Jiménez (1976), serie que realizó junto a Mario Camus, Antonio Drove, Rafael Romero Marchent y Francisco Rovira Beleta y que obtuvo el TP de Oro a la Mejor Serie Nacional. Durante el resto de su trayectoria, realizó anuncios publicitarios y montajes teatrales.

En 1976 debuta en el cine con La petición, una adaptación de la novela de Émile Zola (1840–1902), protagonizada por Ana Belén y premiada como Mejor Guión por el Sindicato Nacional del Espectáculo.

Además, la directora madrileña obtuvo el Premio al Mejor Director del Círculo de Escritores Cinematográficos.

Es en 1979 cuando se da a conocer al público con el El crimen de Cuenca, película que denuncia la tortura aplicada por parte de la Guardia Civil a campesinos inocentes. Este largometraje fue prohibido durante unos meses por las autoridades militares pero, una vez estrenado fue un absoluto éxito de taquilla. Además, recibió el Premio a la Mejor Película en el Festival de Cine de Bastia (Francia). En 1980 rueda Gary Cooper que estás en los cielos, una película autobiográfica, pues narra la historia de una mujer madura que hace el balance de su vida antes de someterse a una intervención quirúrgica (tiempo atrás había sido sometida a una delicada operación de corazón). Pilar Miró obtuvo el Premio al Mejor Director en el Festival de Cine de Cartagena.

En 1982, rueda Hablamos esta noche. También comienza la primera legislatura del Partido Socialista (PSOE) y el Gobierno la nombra Directora General de Cinematografía, cargo que desempeñó hasta finales de 1986. En este período puso en marcha el Decreto Miró, una ley para la protección de la industria cinematográfica española con la que pretendía aumentar la calidad de las producciones a costa de disminuir la cantidad de películas realizadas, lo que supuso grandes problemas para los trabajadores del medio. En 1986 es nombrada Directora General de RTVE, cargo del que dimite en 1989, tras ser acusada de malversación de fondos. Su siguiente película, Werther (1986), es una adaptación de la obra de Goethe (1749–1832). En el guión de este filme y en el de Beltenebros (1991) colaboró el director de cine Mario Camus. Beltenebros recibió el Oso de Plata a la Mejor Dirección en el Festival de Berlín, y El pájaro de la felicidad (1992) fue premiada como Mejor Película en el Festival de Cine de Bérgamo (Italia).

El perro del hortelano (1995), basada en la obra de Lope de Vega (1562–1635), está protagonizada por Emma Suárez y Carmelo Gómez. Pilar Miró obtuvo el Goya al Mejor Director y la cinta fue galardonada con el Premio Goya en la categoría de Mejor Guión Adaptado. También ganó el Premio a la Mejor Película en el Festival de Cine del Mar de Plata (Argentina).

Su último filme fue Tu nombre envenena mis sueños (1996), basado en una novela del político Joaquín Leguina y donde repiten protagonismo Carmelo Gómez y Emma Suárez.

Sus últimos trabajos en 1997 fueron la cobertura de la XI Edición de los Premios Goya y la boda de la Infanta Cristina de Borbón en Barcelona.

En 2006 el crítico de cine Diego Galán publicó, a petición del hijo de Pilar Miró, Gonzalo Miró, una biografía sobre la cineasta madrileña titulada Pilar Miró, nadie me enseñó a vivir. Gonzalo Miró pidió a Diego Galán, el cual conoció a Pilar Miró en el Festival de Cine de Cannes en 1971, que escribiera un libro con el fin de saber quién fue su madre. Le facilitó cartas, documentos, diarios y fotografías que su madre guardaba para escribir la biografía de la cineasta madrileña fallecida hace una década.