Es donà a conèixer en el cinema el 1960 amb Un rayo de luz, de Lluís Lúcia, pel·lícula musical per la qual rebé el premi a la millor interpretació infantil al Festival de Venècia. Amb el mateix director protagonitzà quatre títols més, entre d’altres Ha llegado un ángel (1961) i Tómbola (1962). Posteriorment rodà també per a Fernando Palacios (Marisol rumbo a Río, 1963; Búsqueme a esa chica, 1964), i també actuà en els films Cabriola (1965), de Mel Ferrer; Carola de día, Carola de noche (1969), de Jaime de Armiñán; La corrupción de Chris Miller (1973), de Juan Antonio Bardem, i Los días del pasado (1977, premi a la millor actriu del Festival de Kárlovy Vary), de Mario Camus, entre d’altres.
Convertida en una celebritat de la cultura popular dels anys seixanta i setanta, actuà en programes de televisió i, com a cantant, enregistrà diversos àlbums, la majoria de cançons de les pel·lícules que protagonitzà, el darrer dels quals fou Galería de perpetuas. Canciones para mujeres (1980). Des de mitjan anys setanta renuncià al nom artístic de Marisol i adoptà el de Pepa Flores. Després d’actuar en Caso cerrado (1985), de Juan Caño, es retirà a la vida privada. Estigué casada amb el ballarí Antonio Gades (1982-86), amb el qual coprotagonitzà alguns films. Ha estat guardonada amb el premi Goya d’honor del 2020 a la trajectòria.