Mila Parély naît le 7 octobre 1917 au 19 rue Auber dans le 9e arrondissement de Paris sous le nom d'état civil de « Olga Colette Peszynski », de Roger Théodore Louis Peszynski, employé de chemin de fer, et d'Anitaa (ou Louisea) Chaumeau son épouse, corsetière.

En 1932 à l'âge de 14 ans, Mila Parély apparaît au cinéma dans un court métrage, Vive le sport, qui serait perdu. Puis elle débute au théâtre à Bruxelles, dans Lysistrata de Maurice Donnay, vaudeville d'après la comédie éponyme d'Aristophane. En 1934, elle se fait remarquer dans Liliom, film de Fritz Lang avec Charles Boyer. Elle suspend sa carrière pendant six mois et part outre-Atlantique se former pendant six mois aux studios Paramount ; elle profite aussi de ce séjour pour jouer dans deux pièces à Broadway.

Pendant les années 1930, elle participe à une tournée aux États-Unis comme chanteuse de l'orchestre de Rudy Vallée. En 1936 de retour en France, elle tourne avec Raimu et Michel Simon dans Les Jumeaux de Brighton de Claude Heymann.

En 1941, elle fait la connaissance de Jean Marais durant le tournage du Lit à colonnes. Elle le découvre torse nu, en short, les cheveux magnifiques : « Il était irrésistible, j'en ai eu le souffle coupé; je suis très vite tombée follement amoureuse de lui.» Ils ont une liaison pendant plus de vingt-quatre mois. Elle n'ignore pas les relations homosexuelles de son partenaire, mais elle l'aime. Elle est la seule femme qu'il ait aimé au point de penser l'épouser et à avoir avec elle un enfant. Cocteau, compagnon de l'acteur, tout en souffrant silencieusement, était d'ailleurs d'accord avec cette union.

Lorsque Marais part au front pendant la Seconde Guerre mondiale, elle le rejoint à Chateauroux et avant de la quitter, elle embrasse le pare-brise de son camion, y laissant le rouge à lèvres de son baiser, la plus grande fierté de Marais pendant longtemps.

Lors du tournage de La Belle et la Bête de Jean Cocteau (1946), où elle joue Félicie, la sœur de La Belle, sans doute sa plus célèbre prestation, ils ne sont plus ensemble. Mais depuis leur histoire d'amour, ils se téléphoneront chaque semaine.

En 1976, elle tient un moment le magasin que Jean Marais a ouvert à Paris au 91 Rue Saint-Honoré à l'enseigne « Jean Marais, potier », où il vend ses poteries.

À la télévision, elle participe à deux épisodes (en 1954 et 1958) d'une série britannique, The Vise (en).

Mila Parély revient au cinéma dans un dernier film, Comédie d'été de Daniel Vigne (1989), aux côtés de Jean-Claude Brialy, puis dans La Grande Dune, téléfilm de Bernard Stora (1991), son avant-dernière apparition à l'écran (précédant un court métrage en 1997), aux côtés notamment de Danièle Delorme et Bulle Ogier. Elle a plus de quarante films dans sa carrière.

Le 30 avril 1947 à Neuilly-sur-Seine, Mila Parély épouse le pilote automobile professionnel écossais Thomas Alastair Sutherland Ogi Mathieson, dit T.A.S.O. Mathieson, qui la rend heureuse. Mais, en 1949, il est victime d’un grave accident. Son corps est en miettes et sa carrière de pilote est finie.Son épouse réduit sa carrière au cinéma pour se consacrer à son mari, jusqu'à ce qu'il meure en 1991. Ils n'ont pas eu d'enfant. Mila y ouvre une boutique de parfums pour faire face à ses soucis d'argent.

Mila Parély meurt à Vichy, le 14 janvier 2012, à 94 ans. Elle est enterrée au cimetière de Vichy.