Mariette Paulze naît dans une famille modeste. Son père est tonnelier (barrel-maker) et sa mère, couturière. Elle se marie à dix-huit ans avec Jean-Baptiste Röderer, un officier de marine français. Le couple aura ensemble trois enfants, mais se sépare peu après leur mariage, la vie matrimoniale étant difficile pour Mariette.
En 1775, Lavoisier, qui est alors un jeune chimiste prometteur, épouse Marie Anne Paulze, âgée de vingt-six ans et veuve depuis deux ans. Le couple aura ensemble six enfants. La maison de Lavoisier est également une école d'élite en chimie et Mariette joue un rôle important dans l'accueil et l'éducation des étudiants venus de toute l'Europe pour travailler avec son mari.
Mariette travaille activement aux côtés de son époux, aidant à la préparation d'expériences chimiques, en gardant les notes de Lavoisier et en lisant à ses enfants des histoires ou des poèmes pour les réconforter pendant les longs jours de travail. Elle semble avoir été également impliquée dans les activités commerciales de son mari.
Mariette Paulze est considérée comme une femme éclairée, intéressée par la littérature et la musique, et ayant un sens aigu de l'organisation et du bon sens. Elle est également connue pour sa gentillesse et sa charité envers les personnes nécessiteuses.
Après le décès de Lavoisier en 1794, Mariette Paulze reste à Paris jusqu'en 1806 puis s'installe avec ses enfants dans la propriété familiale du village de Ménilmontant. Elle meurt à l'âge de quatre-vingt-sept ans, en 1836, quelques jours après avoir assisté à son dernier grand-fils se marier.
Mariette Paulze est enterrée dans la crypte familiale du village de Ménilmontant et a été honorée d'une plaque commémorative sur le mur extérieur du Panthéon, à Paris. Elle a été une figure importante pour les femmes de sciences en France et est souvent considérée comme un exemple pour toutes celles qui ont suivi dans le domaine.