Budoucí vědkyně přišla na svět roku 1906 v Katovicích, jež byly tehdy součástí Pruska. Už jako dítě se však s rodinou přestěhovala do Göttingenu, kde její otec, pediatr, získal místo na univerzitě. Byl šestou generací univerzitních profesorů, a Maria tak pocházela z rodiny, která velice ctila vzdělání. Odmala prý věděla, že i jí se dobrého vzdělání dostane. Ostatně s otcem si prý byla bližší než s matkou - mimo jiné proto, že pracoval jako vědec. 

V Göttingenu Maria studovala na soukromé dívčí škole, kde ji její vyučující z řad sufražetek připravily na maturitu. Tu složila v roce 1924. Ač ji zpočátku na univerzitě lákala matematika, nakonec se nadchla pro fyziku. 

Doktorát obhájila v roce 1930 prací o dvoufotonové absorpci, během studia ji učili hned tři laureáti Nobelovy ceny. Zatímco James Franck a Adolf Windaus  byli oceněni už ve 20. letech, Max Born dostal Nobelovku v roce 1958, nedlouho před svou nadanou studentkou. 

V lednu 1930 se Maria také provdala za fyzika Josepha Mayera a přestěhovala se s ním do Spojených států. 

Pracovala 'pro zábavu' 

I přes své nadání to ovšem mladá fyzička neměla jednoduché. Její muž získal místo na Univerzitě Johna Hopkinse v Baltimoru, striktní pravidla proti nepotismu však Marii znemožnila být také řádnou členkou fakulty. Pracovala tu tedy jen jako asistentka, která nedostávala plat.

Vracela se také do Německa, kde spolupracovala s Bornem, a to až do roku 1933. Po nástupu nacistů řada akademiků, včetně Borna, Německo opustila a i Maria odjela natrvalo do USA, kde získala americké občanství. 

Na univerzitě měla Maria přístup k potřebné technice, vyučovala a v půli 30. let publikovala práci na téma dvojitého beta rozpadu. V roce 1937 ovšem dostal její muž padáka. Říká se, že i proto, že jeho tehdejší šéf neschvaloval přítomnost Marie - jako ženy - na pracovišti. 

Manželé tedy začali působit na Kolumbijské univerzitě, ani tady však Maria nedostala zaplaceno. Později to komentovala tak, že pracovala prostě "pro zábavu". Až počátkem 40. let získala své první placené zaměstnání v oboru, když vyučovala na Sarah Lawrence College. 

Stále však byla i na Kolumbijské univerzitě, kde se za druhé světové války věnovala oddělení uranových izotopů v rámci projektu Manhattan.

Spřátelila se také s "otcem vodíkové bomby" Edwardem Tellerem, který jí zajistil místo v projektu, v němž zkoumala vlastnosti hmoty a záření při extrémně vysokých teplotách. Když byl v únoru 1945 její muž poslán do Tichomoří, rozhodla se Maria zanechat své dvě děti, Marii Ann a Petera Conrada, v New Yorku a odjela k Tellerově skupině do Los Alamos.

Po válce působila na Chicagské univerzitě a na částečný úvazek také v nově založené Národní laboratoři v Argonne. V těchto letech publikovala články o stabilitě a uspořádání protonů a neutronů v atomovém jádru a vyvinula takzvaný slupkový model jádra. Právě za ten, společně s fyzikem Hansem Jensenem a Eugenem Wignerem, kteří se svými kolegy totéž učinili ve stejné době, obdrželi v roce 1963 Nobelovu cenu za fyziku. Goeppertová-Mayerová a Jensen pak také spolupracovali.

V roce 1960 nastoupila na místo řádné profesorky na Kalifornské univerzitě. Krátce poté utrpěla mozkovou mrtvici, i po ní však pokračovala v práci. V polovině 60. let ji zvolili do Americké akademie věd a umění. Bylo jí 59 a měla před sebou pár let života.

V roce 1972 ji postihl infarkt, po němž upadla do kómatu a zemřela. Je pohřbena v San Diegu. 

Po Mariině smrti po ní byla pojmenována dvě ocenění, jež se udělují mladým fyzičkám a mají je podpořit v jejich další kariéře. Kalifornská univerzita též pořádá pravidelné sympozium Marie Goeppertové-Mayerové. 

A po úspěšné fyzičce, která si musela na pořádné uznání počkat, je pojmenován i jeden z kráterů na Venuši.