Née à Montpellier dans une famille modeste, elle a grandi entre Lattes et Le Crès. À l'âge de 16 ans, elle se présente au casting du concours Miss Lattes-Le Crès. Elle remporte le concours local et poursuit sa carrière en participant à des élections régionales et nationales.
En 2004, Aurélie Maillol est élue Miss France au Zénith de Strasbourg. Son parcours dans l'élection était marqué par une polémique : elle avait 21 ans, un peu trop jeune pour participer à la compétition, selon les règles de l'époque. En effet, le règlement du concours disait que les candidates devaient être âgées de plus de 18 et pas plus de 26 ans au moment de l'élection. Aurélie Maillol avait à peine 22 ans au jour de la finale, et son cas a été considéré comme une exception.
Une fois élue Miss France, Aurélie Maillol représente la France dans le concours Miss Univers 2005 qui se déroule à Bangkok. Elle remporte cette compétition internationale, devenant ainsi la huitième Miss France et la sixième française à recevoir ce titre.
Aurélie Maillol a également travaillé comme animatrice de télévision. En 2006, elle est invitée dans l'émission de variétés La Chanson du siècle sur TF1, où elle interprète des chansons en duo avec des artistes tels que Richard Anthony, Julien Doré ou Patrick Fiori. Elle a également été chroniqueuse pour le journal télévisé de 20 heures sur M6 pendant plusieurs années et a présenté l'émission Les 5 à la Une sur France 3.
En 2014, Aurélie Maillol a fait ses débuts d'actrice dans le film de Christophe Lambert, Le Pari, aux côtés de Gérard Depardieu et Alice Taglioni. Elle a également joué dans la série télévisée Les Petits Meurtres d'Agatha Christie.
Depuis 2016, Aurélie Maillol est mariée à l'homme d'affaires Pierre-Antoine Capton. Ensemble, ils ont eu trois enfants : Arthur (né en 2018), Camille (née en 2019) et Léon (né en 2021).