Elle est née à Nantucket dans le Massachusetts et fut élevée dans une famille de quakers. Son père, William Mitchell, était un maître d'école et elle était la cinquième enfant de la fratrie.
Maria commença son travail professionnel en étant assistante dans l'observatoire familial. Elle fit ses premières observations astronomiques à l'âge de 12 ans, sur les toits de sa maison. En 1847, elle découvrit la comète C/1847 T1 qui prit son nom : Comète Mitchell. Elle fut ainsi la première américaine à observer une comète.
En 1848, elle ouvrit l'observatoire Vassar College, dans l'État de New York, devenant sa première directrice. Elle enseigna la physique et l'astronomie au sein de ce collège jusqu'à sa retraite.
Elle contribua à l'amélioration de la cartographie des étoiles du ciel boréal et étudia la luminosité variable des étoiles.
Maria Mitchell fut une figure importante dans le domaine de l'astronomie pour les femmes. Elle aida de nombreuses jeunes femmes à poursuivre leur carrière scientifique et encouragea les femmes à participer pleinement au monde des sciences.
En 1865, elle fut élue membre honoraire de la Royal Astronomical Society, devenant la première américaine à avoir reçu ce titre. Elle a également été la première femme à présider la Association américaine pour l'avancement des sciences en 1879.
Son travail continua d'inspirer les femmes de science après sa mort. Une médaille est décernée chaque année par l'Association astronomique américaine en son honneur, la médaille Maria Mitchell pour "les femmes ayant apporté une contribution remarquable à l'astronomie ou aux sciences spatiales".
Maria Mitchell est inhumée sur le cimetière familial à Nantucket. Elle est considérée comme une icône de la science américaine et son travail continue d'inspirer les générations futures.