Formou-se na Universidade de Göttingen, e seu doutorado versava sobre a teoria da absorção de dois fótons por átomos. Na época, verificar a sua tese parecia ser uma possibilidade remota - mas isso foi possível com o desenvolvimento do laser. Hoje, a unidade usada para medir a absorção fotônica é chamada de Goeppert Mayer (GM).

Casou-se com Joseph Edward Mayer e se mudou para os Estados Unidos, já que ele se tornou um professor na Universidade John Hopkins. Regras contra nepotismo impediam que Maria fosse contratada como membro do corpo docente da universidade, mas ela conseguiu um trabalho como assistente e publicou um artigo sobre decaimento radioativo em 1935. Em 1957, ela se mudou para a Universidade Columbia, onde passou a trabalhar de graça.