I suoi genitori Elena Berti (1899-1966) e Pietro Toesca (1877-1962) erano storici dell’arte. Pietro, in particolare, è riconosciuto come uno dei maggiori studiosi d'arte del XX secolo; Ilaria, la loro unica figlia, viene indirizzata agli stessi studi.

Negli anni dell'occupazione tedesca della città entra in contatto, nel liceo Visconti dove studiava, con il gruppo studentesco antifascista che faceva riferimento a Franco Rodano. I suoi primi 20 anni Ilaria li trascorre china sui libri: i genitori la volevano laureata e indipendente al più presto, vista la grande differenza di età tra lei e suo padre.

Spronata dai genitori si laurea nel 1948. 1 Durante la stesura della tesi, il suo soggetto la porta del battistero di Firenze, era in fase di restauro. Così già in questo primo studio universitario Ilaria si confronta con i risultati di un importante restauro. La sua ricerca precisa i rapporti dei due scultori con l’oreficeria senese e con la produzione degli scultori e degli intagliatori francesi con insolita ampiezza di visione.

Seguono la laurea alcune borse di studio: a Salisburgo nel 1948, presso il castello Leopoldskrone (distaccamento dell'università statunitense di Harvard), ad Amsterdam e a Parigi nel 1949; a Londra, presso il Warburg Institute nel 1950-51. In quel tempo Ilaria Toesca conosce perfettamente il tedesco e l’inglese, oltre al francese, e ciò la facilita non solo negli studi, ma anche nei rapporti con gli altri studiosi.

A Londra in particolare esercitano su di lei una profonda influenza Rudolf Wittkower, suo tutor, e Otto Pächt. Wittkower la convince a studiare l’opera di Alessandro Galilei in Irlanda, di cui la Toesca aveva trovato qualche traccia in Inghilterra, e i rapporti dell’architetto con i Corsini e l’aristocrazia d’Oltremanica. Ilaria Toesca scopre inoltre le architetture di A. Galilei in Toscana, allora inedite. Nello stesso tempo inizia la collaborazione con la rivista «Paragone», con l'Istituto dell'Enciclopedia Italiana, con cui collabora come redattore per il Dizionario enciclopedico e per l'Enciclopedia dell'arte.

Sempre nello stesso periodo diventa redattrice per il campo della miniatura italiana della rivista belga «Scriptorium». Alcune delle sue scoperte hanno segnato tappe significative negli studi dell'arte, come la pubblicazione nel 1954 della Cronaca Cockerell, della quale dimostrò l’autografia di un grande maestro francese e la dipendenza dagli affreschi perduti di Masolino a Roma. Pubblica successivamente anche la nuova edizione del catalogo delle miniature della Fondazione Cini. Nel 1955 vince il concorso di ispettore presso le raccolte d'arte pubbliche: viene assegnata alla Soprintendenza alle Gallerie di Venezia; la nuova attività la assorbe completamente, facendole accantonare i precedenti progetti di studio. Pubblica tuttavia un gruppo di disegni di Humbert de Superville, quando ancora nessuno si occupa delle copie nazarene della pittura medievale italiana.

Tra il 1956 e il 1960 circa, tenuto conto delle sue capacità linguistiche, oltre che per la sua competenza scientifica, collabora alla sede italiana dell’ ICOM (International Council of Museums).

Nel 1956 viene trasferita alla Soprintendenza alle Gallerie di Roma e del Lazio. Stima il patrimonio artistico mobile del Quirinale, in particolare il patrimonio dei Savoia, e il patrimonio artistico delle chiese appartenenti al Fondo per il Culto a Roma. Dirige importanti restauri, tra i quali quello dei dipinti di Giovanni Lanfranco in Sant’Agostino nel 1958-59. In ogni occasione concepisce il restauro come studio complesso dell’edificio nella sua storia documentale e nella sua realtà effettiva.

Esemplare in questo senso la cura dedicata, con restauri e approfondite ricerche d’archivio, alla chiesa di San Silvestro in Capite. Al suo periodo romano risalgono alcune scoperte e pubblicazioni che hanno contribuito a precisare il panorama artistico di Roma e del Lazio 2.

Una sua scoperta clamorosa fu quella della croce dipinta di San Tommaso dei Cenci, che, grazie al restauro di Gianluigi Colalucci e allo studio monografico di Ilaria, si è dimostrata un testo fondamentale nel rapporto della pittura del Duecento tra Roma ed Assisi, toccando uno dei problemi maggiori della storiografia, quello della formazione di Giotto e dell’identità del Maestro d’Isacco. Seguono restauri e scoperte di ambito medievale (affreschi del Duecento a Filacciano) e del rinascimento (affreschi di Lorenzo da Viterbo a Campagnano al Santuario del Sorbo) e restauri di icone dell’XI secolo, accompagnati da una pubblicazione scientifica.

Pur se dedita quasi esclusivamente allo studio e al lavoro, nel 1958 Ilaria Toesca aveva sposato Carlo Bertelli, conosciuto nel 1944 durante gli incontri tra gli studenti antifascisti, e poi ritrovato come giovane storico dell'arte. Dal matrimonio nascono Pietro (1963) e Giovanna (1965). Nel 1973 si separeranno pur continuando a condividere, oltre ai figli, riflessioni sui reciproci studi e sul mondo dell'arte.

Sempre nel 1973 divenne direttore del Gabinetto Nazionale delle Stampe e dei Disegni.

Nell'agosto del 1974 Ilaria Toesca è nominata soprintendente per i beni artistici e storici di Mantova, Cremona e Verona, quest'ultima presto sostituita da Brescia. Già prima di allora Ilaria Toesca aveva illustrato alcuni tesori di Mantova, in particolare rivelando l’origine parigina della grande Madonna del Trecento, in argento dorato, del tesoro della cattedrale. Questo studio si accompagnava ad altri suoi rilevantissimi contributi nel campo dell’oreficeria medievale 3.

Sempre a Mantova, nel 1980-81, nel corso dello smantellamento di un antico negozio, venne rinvenuto un importantissimo affresco del XIV-XV secolo rappresentante una veduta realistica della città e del circondario. Toesca ne diresse i lavori di recupero e restauro restituendo così alla cittadinanza un patrimonio storico e artistico di notevole interesse anche documentario, senza distaccarlo dal suo luogo originale, ma lasciandolo comunque fruibile ad ogni visitatore. A Mantova tra le sue prime preoccupazioni fu la documentazione fotografica, condotta con la più moderna tecnologia, realizzata in collaborazione con il Gabinetto Fotografico Nazionale, degli affreschi del Mantegna e del Pisanello che si trovano nel Palazzo Ducale della città.

La campagna fotografica fu voluta anche per resistere alle richieste, che venivano da più parti, di staccare gli affreschi del Mantegna. Nello stesso tempo preparava il progetto del restauro della Camera degli Sposi, che sarebbe stato condotto dai restauratori Mora sotto la direzione del suo successore Antonio Paolucci.

Negli anni trascorsi a Mantova una tra le sue più importanti scoperte fu l’individuazione, nel fregio della sala del Pisanello, del motivo del collare a S, che metteva in luce i rapporti tra i Gonzaga e i Lancaster e dava un apporto decisivo alla datazione degli affreschi. I suoi studi su Pisanello e gli affreschi di Mantova erano già iniziati prima della sua nomina a soprintendente ed ebbe così modo di approfondirli. Grande soddisfazione del suo periodo mantovano fu l’impegno nel restauro della chiesa abbaziale di Acquanegra sul Chiese. La scoperta degli affreschi della chiesa, che continua tuttora, ha rivelato un monumento del più alto interesse dell’arte romanica in Lombardia 4.

Si tratta infatti della maggiore testimonianza della pittura romanica in Lombardia, che comprende affreschi e mosaici pavimentali, dopo i celebri affreschi di Galliano. Per il grande impegno profuso a Mantova, nel 1978 viene nominata socia dell’Accademia Nazionale Virgiliana.

Nel novembre del 1984 Ilaria Toesca lascia Mantova, richiamata a Roma presso il Ministero dei Beni Culturali con l'incarico di "ispettore centrale", dove poté dimostrare la propria vasta competenza sovraregionale. Viene insignita dal Presidente della Repubblica Francesco Cossiga dell'onorificenza di Ufficiale della Repubblica. 5 Nel dicembre del 1994 termina, per raggiunti limiti di età, il suo impegno professionale, ma questo non le impedisce di continuare i suoi studi, in particolare sull'abbaziale di Acquanegra sul Chiese, fino ai tempi più recenti.

Si spegne a Roma il 2 giugno 2014 e riposa per sempre a Saorgio, paese di origine della famiglia Toesca.