Après des études de journalisme à l'Université Fédérale Fluminense (UFF), Maria Padilha a commencé sa carrière en tant que journaliste pour divers médias brésiliens, notamment pour le magazine de cinéma *Cinema Hoje*. En 1988, elle réalise son premier court-métrage, "Menina Maluquinha".
En 1993, Padilha coécrit et coproduit la série télévisée *Xica da Silva*, qui aborde l'esclavage au Brésil. La même année, elle réalise son premier long-métrage, "Toque no Altar", qui traite de la religion catholique.
Padilha a connu le succès international avec son film *Tropa de Elite* (2007), qui aborde les problèmes de violence et de corruption dans la police brésilienne. Le film a été un grand succès critique et commercial, et a remporté des prix dans diverses cérémonies de cinéma. La suite du film, *Tropa de Elite 2* (2010), a également été acclamée par la critique et a remporté plusieurs prix internationaux.
En 2013, Padilha réalise le film *Olmo e o Ossos*, qui traite des conséquences de la dictature militaire au Brésil dans les années 1970 et 1980. Le film a été sélectionné comme entrée brésilienne pour les Oscars 2014.
En plus de ses activités cinématographiques, Maria Padilha est également engagée en politique. En 2013, elle est élue députée fédérale au Congrès national du Brésil sur la liste du Parti des travailleurs (PT) dans l'État de Rio de Janeiro.
Maria Padilha a reçu de nombreuses récompenses pour son travail, notamment le Grand Prêmio do Cinema Brasileiro, le Kikito d'or à la Mostra Internationale de São Paulo, et le Grand Prix de la Semaine de la critique au Festival de Cannes. Elle est également membre de l'Académie brésilienne des lettres et de l'Académie royale espagnole des beaux-arts de Saint-Jérôme.