Ancienne élève puis membre de la troupe du TNS où elle a travaillé avec de nombreux intervenants (dont Etienne Pommeret, Antoine Caubet, Michel Cerda, Jean-François Peyret, Ludovic Lagarde, Yann-Joël Collin, Marc Proulx, Françoise Rondeleux), Cécile Coustillac a joué notamment sous la direction de Stéphane Braunschweig (Tout est bien qui finit bien de Shakespeare, Vêtir ceux qui sont nus de Pirandello, L’Enfant rêve de Hanokh Levin, Les trois soeurs de Tchékhov au Théâtre de la Colline en 2007), Arnaud Meunier (Pylade de Pasolini, Le Cyclope, opéra de Betsy Jolas d’après Euripide), Elsa Hourcade et Benjamin Dupas (Wofor haben Sie Angst ?), Yann-Joël Collin (Violences-Reconstitution de Didier-Georges Gabily), Hubert Colas (Sans faim d’Hubert Colas) et Sylvain Maurice (Dom Juan revient de guerre d’Ödon Von Horvath).

Elle fait sa première apparition au cinéma avec L’Absence, sur nos écrans en 2010.