Originaire de Bretagne, elle a grandi à Sainte-Marie dans le département de La Réunion. Elle s'est distinguée en 1987 lorsqu'elle termine troisième des championnats du monde juniors à Athènes sur 200 mètres et se classe deuxième des championnats d'Europe juniors l'année suivante.
En 1996, elle remporte son premier titre mondial sur 400 mètres lors des Championnats du monde en salle à Barcelona. Elle participe ensuite aux Jeux olympiques de 1996 où elle décroche l'or sur 400 mètres, établissant un nouveau record national en 48 s 60.
En 2000, Marie-José Pérec remporte le titre mondial sur 200 mètres lors des Championnats du monde à Séville, après avoir battu l'Américaine Marion Jones au stade de la finale. Elle décroche également une médaille d'argent sur 400 mètres, où elle est devancée par l'Américaine Jearl Miles-Clark. Lors des Jeux olympiques de Sydney, Pérec remporte son second titre olympique en dominant à nouveau Marion Jones lors de la finale du 200 mètres. Elle termine également cinquième du relais 4x100 mètres, avec le relais français composé de Muriel Hurtis-Houairi, Odiah Sidibé, Christine Arron et elle-même.
En 2003, Marie-José Pérec annonce son retrait de la compétition. Elle se reconvertit ensuite dans l'entraînement d'athlètes, notamment de sa fille Sarah, dont elle a pris la nationalité réunionnaise pour pouvoir l'accompagner lors de ses compétitions.
Marie-José Pérec est également connue pour son engagement dans le combat contre le sida et les autres maladies liées au VIH. En 2008, elle est nommée présidente du Comité national français pour l'AIDS et la santé des populations vulnérables (CNAVS). Elle a également participé à plusieurs campagnes de sensibilisation contre le sida et les maladies liées au VIH.
En 2017, elle reçoit la médaille de l'Ordre national du Mérite pour ses actions en faveur de la lutte contre le sida et des populations vulnérables. Elle est également connue pour son engagement dans la promotion du sport et de la santé dans les écoles.