Mariàngela Vilallonga i Vives neix a Girona el 3 d'abril del 1952. Amb tot, és de Llagostera i, filla de Josep Vilallonga Ribalta i Àngela Vives Viñets, viu una infantesa feliç a la casa familiar del carrer Àngel Guimerà d'aquesta localitat. De ben petita ja mostra una clara vocació per a l'ensenyament i per a l'estudi de la llengua. Fins als catorze anys d'edat va a col·legis de monges, especialment a les carmelites de Llagostera. Fa l'examen d'ingrés i els exàmens de tots els cursos, del que aleshores era anomenat batxillerat elemental, a l'Institut de Girona. Cursa el Batxillerat Superior i el curs preuniversitari a l'Institut Jaume Vicens Vives de Girona. És alumna, entre d'altres, del senyor Florit, de Mossèn Fuentes i de Mossèn Costa Tapiola, del senyor Golobardes, del senyor Colàs i del senyor Urmeneta. Decideix estudiar la carrera de Filosofia i Lletres. Els tres primers cursos els fa a Girona, a la nova "Secció delegada de lletres de la UAB", a la Casa de Cultura. Allà gaudeix del mestratge de Dolors Condom i Joan Castellanos, en les matèries de Llatí i Grec. La llicenciatura en Filologia Clàssica la fa a la Universitat Autònoma de Barcelona. El mes de setembre de 1974 llegeix la seva tesina, L'estructura omfàlica a l'epístola Ad Pisones d'Horaci, dirigida per Àngel Anglada Anfruns. El primer dia d'octubre del mateix any 1974, amb vint-i-dos anys, inicia la seva carrera docent com a professora encarregada de curs al Col·legi Universitari de Girona. El dia 15 de juny de 1975 es casa.

Mariàngela Vilallonga continua la seva docència a Girona i elabora la tesi doctoral sobre Jeroni Pau, el màxim representant de l'humanisme català. Dirigida per Francisco Rico, en fa la defensa el 16 de desembre de 1983, davant d'un tribunal presidit per Martí de Riquer i per la qual mereix la qualificació de cum laude i Premi extraordinari. El mes de febrer del 1984 l'autora i el seu marit compren a Carme Manrúbia la casa de Romanyà de la Selva "El Senyal Vell", on Mercè Rodoreda hi havia viscut, hi havia acabat Mirall trencat l'any 1974 i hi havia escrit els "Viatges" de Viatges i flors i Quanta, quanta guerra.... L'estiu de 1984, en rellegir l'obra de Rodoreda, que havia conegut i freqüentat des del seu establiment a Romanyà, Vilallonga s'adona de l'estreta relació que hi ha entre els textos i el lloc. En publica l'article "Des de Romanyà" a El Punt Diari, el 8 d'agost de 1984.

Des del jardí de Romanyà concep la idea dels articles setmanals que, amb el títol "Els arbres", publica cada diumenge a la revista Presència, entre el 14 d'octubre de 1984 i el 14 d'abril de 1985. L'any 1986 aquests articles apareixen aplegats en l'obra Els arbres en forma de llibre en braille i en paper, il·lustrat amb fulles dels arbres en un cas, i amb dibuixos de Narcís Comadira en l'altre. El vincle que uneix els vint-i-sis arbres del volum és la seva presència en la literatura i en l'art, els records de viatges i d'infantesa i les metamorfosis mitològiques de persones en arbres. Aquesta reflexió sobre literatura i paisatge culmina en la publicació de l'Atles literari de les terres de Girona (segles XIX i XX), codirigit amb Narcís-Jordi Aragó i editat per la Diputació de Girona l'any 2003. El primer de maig de 1985 neix el seu fill Borja, a qui dedica Els arbres. L'any 1986 també publica, a l'editorial barcelonina Curial i amb un pròleg de Francisco Rico, la seva tesi doctoral en dos volums i amb el títol Jeroni Pau. Obres. També és autora, entre d'altres, dels títols Dos opuscles de Pere Miquel Carbonell (1988), La literatura llatina a Catalunya al segle XV (1993), Humanisme català (2001) o Recrear Rodoreda Romanyà (2008). És traductora dels Poemes francesos de Rainer M. Rilke (2011) i responsable de l'edició i de la traducció, juntament amb altres autors, del Dietari secret (2003) de Johannes Burckard.

El mes de febrer de 1987, per oposició, esdevé professora Titular Numerària de la Universitat Autònoma de Barcelona, amb docència a l'encara Col·legi Universitari de Girona, on feia tretze anys que hi exercia la docència. L'any 2003 passa a Catedràtica d'Universitat. Des de la seva creació, l'any 2004, és directora de la Càtedra de Patrimoni Literari Maria Àngels Anglada - Carles Fages de Climent. Des del 2005 és membre numerari de la Secció Filològica de l'Institut d'Estudis Catalans, d'on és vicepresidenta des de 2014. Entre 2010 i 2013 és vicepresidenta de l'Institut d'Estudis Catalans, sent la primera dona que ocupa un lloc a la direcció de l'IEC. A partir de l'1 de setembre de 2017 torna a ocupar el mateix càrrec.

Les seves dues línies principals de recerca són la literatura llatina, especialment la de l'època del renaixement, i la literatura catalana per la seva relació amb els clàssics i també amb el paisatge. Ambdues les ha estudiat i les ha difós no només a través de la recerca i de la docència, sinó també a partir de la divulgació, en tots els àmbits. Especialitzada en la literatura llatina del renaixement a la Corona d'Aragó, sempre en relació amb la literatura clàssica, Mariàngela Vilallonga ha dirigit projectes de recerca sobre les relacions entre els humanistes de la Corona d'Aragó i Europa durant els segles XV i XVI. Coordina el grup de treball Studia Humanitatis i, des de l'any 2010, dirigeix el Grup de Recerca de Patrimoni Literari de la UdG.

Ha estat vocal de la Junta de Govern i del Consell Assessor de la Institució de les Lletres Catalanes (2015-2019). Ha estat membre del Consell de les Arts i la Cultura de Girona (2008-2011), membre del Consell Escolar de Catalunya (2011-2015), membre del Consell Social de Cultura de la Generalitat de Catalunya (2014-2015), presidenta del Consell Assessor de la Xarxa CRUSCAT (2010-2015), membre del Comitè Organitzador de les Commemoracions de la Generalitat de Catalunya (2011-2013) i coordinadora dels "Fulls" de la Revista de Girona (1985-2008).

L'any 2009 és guardonada, a Roma, amb el Premio per l'Ambiente Gianfranco Merli. El 2016, se li concedeix la Creu de Sant Jordi de la Generalitat de Catalunya. L'any 2018 rep la Medalla Narcís Monturiol al mèrit científic i, en nom dels guardonats, va pronunciar aquest discurs en l'acte de lliurament.

Ha estat consellera de Cultura de la Generalitat de Catalunya des del març de 2019 fins al setembre de 2020.

És sòcia de l'Associació d'Escriptors en Llengua Catalana.