Maïlys de Villoutreys découvre la scène dès son plus jeune âge en interprétant des rôles d'enfants à l'Opéra de Rennes (Sophie dans Let's make an opera de Britten, Yniold dans Pelléas et Mélisande de Debussy). Plus tard, elle est Miss Ellen dans Lakmé à l'Opéra de Rouen, Aspasia dans La Pietra del Paragone (Rossini) au Teatro Regio de Parma, et incarne plusieurs rôles mozartiens : Barberina, puis Pamina au CNSMDP, la Reine de la Nuit (dir. N. Krüger), et plus récemment Melia dans Apollon et Hyacinthe, à la Cité de la Musique à Paris. A l'Opéra Royal de Versailles, elle chante Amour (Orphée et Eurydice, Gluck) dirigée par G. Grazioli, et Clarine (Platée, Rameau) sous la baguette de J-C Malgoire.
Passionnée par la musique de chambre, elle chante le lied et la mélodie avec le pianiste Ivan Couëffé, et forme avec la harpiste Delphine Benhamou le duo Asturiana.
Son goût prononcé pour le répertoire baroque l'amène à se produire avec de nombreux ensembles : on peut ainsi l’entendre régulièrement avec les Folies Françoises, mais aussi avec Amarillis, Pygmalion, le Ricercar Consort, les Musiciens du Paradis, l’ensemble Desmarest, la Simphonie du Marais… En 2012, elle enregistre la cantate Clytemnestre de Cherubini avec la Kölner Akademie (dir. Michael Willens) sous le label CPO.