Вилинская Ирина Николаевна родилась в Одессе 7 сентября 1920 года в семье известного композитора Николая Николаевича Вилинского. В раннем детстве продемонстрировала выдающиеся музыкальные способности. Начала обучаться музыке с пятилетнего возраста, когда её отец заметил, что после посещения с родителями Одесского Оперного театра дочь подошла к фортепиано и стала подбирать услышанные мелодии. Природа щедро одарила Ирину Вилинскую, она обладала абсолютным музыкальным слухом, красивым голосом (сопрано) и прекрасными пианистическими данными, в дальнейшем она проявила себя и как композитор. В первую очередь именно своему отцу Вилинская обязана своей любовью к искусству, необыкновенной музыкальной культурой и вкусом.
В детстве и юности наряду с музыкой Вилинская проявила весьма разносторонние способности, ей нравилась математика, она занималась спортом, успешно выступала на соревнованиях по плаванию. После начальной школы, закончила строительный рабфак (1938). Училась в Одесском строительном институте (1938—1939), однако увлечение музыкой взяло свое и в 1939 году Вилинская успешно поступает в Одесское музыкальное училище, где одновременно училась на двух факультетах — по вокалу (педагог Е. М. Менер-Каневская) и на историко-теоретическом. В 1941 году она поступила на историко-теоретический и композиторский факультеты Одесской консерватории. Перед талантливой девушкой была открыта карьера композитора, однако она предпочла пение. Повидимому, определённую роль в этом решении сыграла её двоюродная тетка по отцу — знаменитая певица, солистка Большого Театра К. Г. Держинская.
После начала Великой Отечественной войны Вилинская вместе с родителями эвакуировалась в Ташкент, где по классу вокала занималась у профессора Д. Л. Аспелунда в Ташкентской консерватории (1941—1944), а затем (1944) продолжила обучение у профессора Д. Г. Евтушенко в Киеве, закончила аспирантуру Киевской консерватории. Работала на кафедре сольного пения Киевской консерватории, преподаватель (1949), старший преподаватель, утверждена в звании доцента (1964), затем и. о. профессора (1974).
Вилинская рассматривала певческий голос как уникальный музыкальный инструмент, который без надлежащей подготовки можно повредить сложным репертуаром. Поэтому в своей вокальной школе Вилинская проповедовала бережное и постепенное развитие природных данных певцов с использованием тщательно подобранного репертуара, вокализов и специальных распевок, тем самым одновременно обеспечивая высокое профессиональное мастерство и творческое долголетие своих студентов. Вилинская умела исправлять и улучшать тембральные качества голоса, увеличивать диапазон и развивать музыкальность певца.
Вилинская является автором сборников вокализов, обработок украинских и русских народных песен и романсов. Вилинской принадлежат ряд теоретических работ, посвященных вокальной педагогике, а также тщательно разработанные вокальные репертуарные сборники. Уникальное сочетание вокальных, композиторских и пианистических данных, а также многолетний опыт педагога вокалиста позволили ей создать известную серию сборников вокализов для разных голосов. Следует отметить, что выдающийся украинский композитор Л. Н. Ревуцкий был одним из первых рецензентов вокализов, в 1950 году он весьма тепло отозвавался о сочинениях И. Н. Вилинской и рекомендовал их к публикации.
Вокализы Вилинской нашли широкое признание и на протяжении десятилетий применяются для подготовки певцов в консерваториях, музыкальных училищах России, Украины и за рубежом. Последний сборник вокализов (издан в 1989 году) был опубликован с большой задержкой уже посмертно.
Похоронена на Байковом кладбище в Киеве.
Ученики Вилинской: А. Пономаренко, В. Богомаз, А. Маняченко, В. Титкин, А. Макаров, С. Бондаренко, В. Мищенко и другие.