Brandmän kallades till en brand i Kilmaurs Road kl 23:40 på lördag.
Kvinnan, Catherine Kelly, blev dödförklarad på platsen. En 41-årig man fördes till sjukhus med allvarliga skador. En annan kvinna, 41 år, som då också var i huset skadades inte.
Polisen sa att branden var en "riktad och avsiktlig handling".
Poliser har vädjat om att vittnen ska träda fram. De angav att de följer en bestämd undersökningslinje.
Lokalbefolkningen, som försökte hjälpa till att släcka branden, behandlades på platsen för rökinandning.
Den skadade fördes till Crosshouse Hospital, där medicinsk personal beskrev hans tillstånd som stabilt.
Det Ch Insp Allan Burton sade: " Brandutbrottet i huset på Kilmaurs Road har lett till att en äldre kvinna har dött.
"Efter en gemensam utredning med våra kollegor vid Scottish Fire and Rescue Service vet vi nu att detta var en riktad och avsiktlig handling.
"Lokala invånare är förståeligt chockerade och jag skulle vilja erkänna modet hos de grannar och förbipasserande bilister som väckte larmet och försökte göra vad de kunde för att släcka branden.
"Jag vill försäkra lokalbefolkningen om att allt görs för att spåra den eller de ansvariga."
Specialist kriminaltekniker och kriminalare är kvar på platsen som en del av mordutredningen.  Ytterligare uniformerade officerare patrullerar också i området.
Det Ch Insp Burton tillade: " Vi har talat med ett antal vittnen vid denna tid.
"Jag skulle fråga alla boende eller förbipasserande bilister som ännu inte har kommit fram och prata med polisen, vänligen kontakta oss med all information du kan ha."
En mordutredning pågår efter att en 71-årig kvinna dog i en brand i ett hus i Kilmarnock.