Ирина Вилкова родилась 1 мая 1986 года в Новокузнецке.
В детстве девочка посещала занятия в театральной студии «Юность», с 11 лет участвовала в спектаклях местного драматического театра.
Началом театральной биографии стало для Вилковой исполнение роли Мари в «Щелкунчике» и Ани в «Вишневом саде».
После получения аттестата зрелости подала документы в Высшее театральное училище имени Щепкина. После успешной сдачи всех вступительных экзаменов Ирина Вилкова стала студенткой этого вуза.
Ее дебют на экране состоялся в 2004 году. Девушка снялась в мелодраме «Всадник по имени Смерть», экранизации повести Бориса Савинкова «Конь бледный».
В 2006 году на телеэкраны вышел сериал «Детективы» о работе сыскного агентства, в котором Ирина Вилкова исполнила роль Лизы Комиссаренко.
В 2008 году актриса участвовала в съемках сериалов «Моя любимая ведьма», «Галина», «Обручальное кольцо», «Солдаты-15. Новый призыв» и в мелодраме «Возьми меня с собой» и его продолжении, где сыграла героиню Веронику, секретаря Маргариты Каретниковой.
В 2010 году фильмография Вилковой пополнилась работой в популярном сериале «Доктор Тырса».
В 2011 году с участием Ирины Вилковой на экраны вышло четыре фильма - черная молодежная комедия «Вдребезги», семейная комедия «Мамочки»», «Пыльная работа».
В декабре 2012 году на украинском канале «Интер», а в феврале 2013 года на российском «Первом канале» вышел мистический детективный сериал «Грач» о жизни майора МВД Сергея Грачева.
В 2015 году Вилкова получила главную роль в социальной драме режиссера Владимира Мирзоева «Ее звали Муму», где перевоплотилась в героиню Катю Муму.
2017 году стартовал показ комедийного ситкома «Полицейский с Рублевки в Бескудниково», в котором актриса исполнила роль учительницы Веры.