Родилась 2 июля 1928 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург) в семье Людвига Львовича и Евгении Давыдовны Урлауб. Ее крестным отцом стал известный русский художник Кузьма Петров-Водкин.
Настоящее имя - Татьяна Людвиговна Урлауб.
С 1937 г. посещала Ленинградское хореографическое училище (ЛХУ; ныне Академия русского балета им. А. Я. Вагановой).
В 1941-1944 гг. вместе с коллективом и учениками ЛХУ находилась в эвакуации в гор. Молотов (ныне Пермь). В 1942 г. отец как этнический немец был отправлен в ссылку в Свердловскую область (реабилитирован в 1958 г.).
После возвращения в Ленинград в 1945 г. окончила хореографическое училище. При получении паспорта поменяла отчество.
С 1945 по 1948 г. Татьяна Пилецкая была артисткой кордебалета Ленинградского театра музыкальной комедии (ныне Санкт-Петербургский государственный театр музыкальной комедии).
В 1948-1949 гг. училась в драматической студии при Ленинградском академическом Большом драматическом театре им. М. Горького (ныне Российский государственный академический Большой драматический театр им. Г. А. Товстоногова).
С 1949 по 1950 г. в гор. Полярный (Мурманская обл.) работала диктором городского радиоузла, руководила кружком самодеятельности при местном Доме офицеров.
В 1962-1990 г. - актриса Ленинградского театра им. Ленинского комсомола (ныне Театр-фестиваль "Балтийский дом"). Исполняла роли в спектаклях: "Трехгрошовая опера" по пьесе Бертольта Брехта, "Три мушкетера" по роману Александра Дюма, "Сирано де Бержерак" по драме Эдмона Ростана, "Бесприданница" по пьесе Александра Островского, "Ревизор" по произведению Николая Гоголя, "Сон об осени" по пьесе Юна Фоссе, "Три товарища" по роману Эриха Марии Ремарка, "Стеклянный зверинец" по пьесе Теннесси Уильямса, "Кошки-мышки" по произведению Иштвана Эркеня.
В 1990-1995 гг. Татьяна Пилецкая играла на сцене Санкт-Петербургского драматического театра "Патриот".
С 1996 г. по н. в. - актриса Театра-фестиваля "Балтийский дом". В течение последних сезонов была задействована в спектаклях "Деревья умирают стоя" по трагикомедии Алехандро Касоны, "Ма-Мурэ" по произведению Жана Сармана и "Семья в подарок" по пьесе Надежды Птушкиной "Пока она умирала".
Татьяна Пилецкая широко известна в качестве киноактрисы. Ее первой заметной ролью стала сестра милосердия Даша Севастопольская в биографическом фильме Григория Козинцева "Пирогов" (1947). Широкую известность актрисе принесла роль Тани Огневой в мелодраме Леонида Лукова "Разные судьбы" (1956). Среди других работ: лейтенант Надежда Корнева в детективе "Дело №306" по повести Матвея Ройзмана (1956, режиссер Анатолий Рыбаков), Галя в биографической ленте "Олеко Дундич" (1958, Леонид Луков), Наталья Смирницкая в мелодраме "Прощание с Петербургом" (1971, Ян Фрид), княгиня Нессельроде в биографическом фильме "Лермонтов" (1986, Николай Бурляев), бывшая балерина Павла Кирилловна Головина в драматическом сериале "Вербное воскресенье" (2009, Антон Сиверс). Последняя роль к настоящему времени - Анна Андреевна Ольховская в детективе "Алмазный эндшпиль" по роману Елены Михалковой (2017, Петр Амелин). В общей сложности Татьяна Пилецкая снялась в более чем 40 фильмах и сериалах.
Автор книг "Серебряные нити" (1998), "Хрустальные дожди" (2005), "Да, у всех судьбы разные" (2010), "Всегда с вами" (2016) и "Навстречу ветру" (2018).
Член Союза кинематографистов РФ.
Народная артистка РФ (1999).
Татьяна Пилецкая награждена орденами Почета (2007) и Дружбы (2017).
Лауреат театральной премии Санкт-Петербурга "Золотой софит" в почетных номинациях "За творческое долголетие" (2003) и "За творческое долголетие и верность театру" (2013), специальной награды кинофестиваля "Литература и кино" (2010, Гатчина, Ленинградская обл.), российской национальной актерской премии "Фигаро" им. Андрея Миронова в номинации "За служение театральному Отечеству" (2016), Царскосельской художественной премии (2018), российской национальной театральной премии "Золотая маска" в спецноминации "За выдающийся вклад в развитие театрального искусства" (2020).
Была трижды замужем. Первый супруг - военный моряк Константин Пилецкий (1925-2014), дочь - Наталья. Второй муж - народный артист РСФСР Вячеслав Тимошин (1929-2006). Третий супруг - заслуженный артист РФ Борис Агешин (1940-2018).