Après l’obtention d’un diplôme universitaire en philosophie et sciences sociales, Fatema Loukili débute sa carrière de journaliste à la Radiodiffusion Télévision Marocaine (RTM), (actuellement Société Nationale de Radiodiffusion et de Télévision S.N.R.T.). Elle intègre par la suite la Radio Médi1, puis la deuxième chaine de télévision 2M où elle a produit et animé la première émission politique au Maroc.
Elle entame sa carrière de scénariste avec le téléfilm « La dernière page », réalisé par Jillali Ferhati en 1985, avant d’intégrer le cinéma en tant que scénariste, dialoguiste et script doctor dans plusieurs films marocains : « Femmes et femmes », « Soif » et « Islamour » de Saad Chraib, « La beauté éparpillée », de Lahcen Zinoun, « Elle est diabétique, hypertendue et elle refuse de crever » de Hakim Nouri.
Fatema Loukili a également joué sous la direction de Farida Benlyazid dans « Une porte sur le ciel » (1986), « Casablanca, Casablanca » (2002) et « Ruses de femmes » (2005), de Jillali Ferhati dans « la plage des enfants perdus » (1991) et « Mémoire en détention » (2003), et de Nabil Ayouch dans son court-métrage « Hertzian connection ».
Membre du jury de plusieurs festivals nationaux et internationaux, elle a présidé le jury du Festival du Film Documentaire sur la Culture, l'Histoire et l'Espace Sahraoui Hassani à Laayoune en 2022.
Membre au Fonds Arabe pour la Culture et l’Art (2020), elle a présidé le Fonds d’Aide à la Production Cinématographique Nationale entre 2019 et 2020.