Marie-France Pisier est la fille de Régis Pisier, professeur de droit, et d'une mère martiniquaise, Simone Humbert. Elle a commencé sa carrière d'actrice en 1960, à l'âge de seulement 15 ans, dans la comédie musicale Les Folies Bergère.
En 1964, elle fait ses débuts au cinéma avec le film Le Combat des femmes de Gilles Grangier. Cette année-là , elle est élue Miss France et représente son pays lors du concours Miss Univers, où elle termine à la troisième place.
En 1965, Marie-France Pisier fait ses débuts au théâtre avec la pièce La Belle aux dents rouges de Jean Anouilh. Elle poursuit ensuite une carrière cinématographique prolifique en France et aux États-Unis, où elle a notamment tourné avec des réalisateurs comme François Truffaut (La Peau douce), Blake Edwards (Les Aventures de Rocky et Bullwinkle) et Mel Stuart (Willy Wonka and the Chocolate Factory).
En 1972, Marie-France Pisier fait son grand retour à la télévision française avec le feuilleton La Vie à cinq. Elle y incarne l'héroïne principale, Lucille Delambre, un rôle qu'elle interprète pendant neuf saisons et qui lui apporte une grande popularité.
En parallèle de sa carrière d'actrice, Marie-France Pisier a également poursuivi une carrière musicale, enregistrant plusieurs disques et en donnant des concerts. Elle est notamment connue pour ses interprétations de chansons françaises, notamment celles de Jeanne Moreau et Édith Piaf.
Marie-France Pisier a également été active dans la défense des droits des femmes, en particulier dans le domaine de la lutte contre la violence faite aux femmes. Elle est membre de l'association parisienne Femmes de France et a écrit un livre sur ce sujet : "Violences faites aux femmes" (1982).
En 1995, elle a reçu la Légion d'honneur française pour ses services rendus à la culture française. Marie-France Pisier est également officier de l'Ordre national du Mérite martiniquais.
Actuellement, Marie-France Pisier continue à travailler dans le monde de la télévision et du cinéma, et elle se consacre également à des activités philanthropiques en faveur de l'enfance et des femmes martiniquaises.