مریم میرزاخانی در ۱۳ اردیبهشت ۱۳۵۶ (۳ مه ۱۹۷۷) در تهران به دنیا آمد. پدرش احمد میرزاخانی مهندس برق و رئیس هیئت مدیره مجتمع آموزشی نیکوکاری «رعد» بود. او با اتمام تحصیلات ابتدایی با شرکت در آزمون ورودی مدارس استعدادهای درخشان وارد دبیرستان فرزانگان تهران (زیر نظر سمپاد) شد. مریم میرزاخانی در سال‌های ۱۳۷۳ و ۱۳۷۴ (سال سوم و چهارم دبیرستان) از دبیرستان فرزانگان تهران موفق به کسب مدال طلای المپیاد ریاضی کشوری شد و بعد از آن در سال ۱۹۹۴ در المپیاد جهانی ریاضی هنگ کنگ با ۴۱ امتیاز از ۴۲ امتیاز مدال طلای جهانی گرفت. سال بعد یعنی ۱۹۹۵ در المپیاد جهانی ریاضی کانادا با ۴۲ امتیاز از ۴۲، رتبهٔ اول طلای جهانی را به دست آورد.
مریم میرزاخانی اولین دختری بود که به تیم المپیاد ریاضی ایران راه یافت و همچنین اولین دختری بود که در المپیاد ریاضی ایران طلا گرفت. وی اولین کسی بود که دو سال مدال طلا گرفت و اولین فردی بود که در آزمون المپیاد ریاضی نمره کامل گرفت. میرزاخانی دورهٔ لیسانس و فوق لیسانس ریاضی در دانشگاه صنعتی شریف طی کرد. وی در سال ۲۰۰۴ با اخذ مدرک دکترای دانشگاه هاروارد به سرپرستی کورتیس مک‌مولن، از برندگان جایزه فیلدز، در دانشگاه‌های پرینستون و استنفورد به تدریس مشغول شد. یک سال بعد در سال ۲۰۰۵ نشریه پاپیولار ساینس آمریکا او را به عنوان یکی از ۱۰ ذهنِ جوان جهان برگزید و تجلیل کرد. میرزاخانی مدتی در پرینستون درس می‌داد ولی بعد به استنفورد رفت و کار تدریس و پژوهش را در آن‌جا پی گرفت. او در شهریور ۱۳۸۷ (اول سپتامبر ۲۰۰۸) و در ۳۱ سالگی به درجه استادی و این دانشگاه رسید.
سلیقهٔ سینمایی میرزاخانی بازتابی از ذات بدون مرز پژوهش اوست، که درگیر کاویدن «خصوصیات اشکال هندسی نامعمول» است. او می‌گوید: «گاهی مواقع احساس می‌کنم در یک جنگل بزرگ هستم و نمی‌دانم به کجا می‌روم؛ ولی به طریقی به بالای تپه‌ای می‌رسم و می‌توانم همه چیز را واضحتر ببینم. آنچه آن گاه رخ می‌دهد، واقعاً هیجان انگیز است.»
فیلم مورد علاقهٔ او، داگویل، نگاهی خشن به آمریکای دوران رکود بزرگ است. وی گفته که در کودکی آرزو داشته نویسنده شود. او گفت: «وقتی که بچه بودم رویایم این بود که نویسنده شوم. هیجان‌انگیزترین لحظاتم را به خواندن رمان می‌گذراندم، در واقع هر چیزی را به دستم می‌رسید می‌خواندم.» همسر وی یان وندراک، نیز دانشیار ریاضی دانشگاه استنفورد، و پژوهشگر سابق علوم کامپیوتر نظری مرکز تحقیقات آی‌بی‌ام و اهل جمهوری چک است و از او دارای یک فرزند به نام آناهیتا می‌باشد.
در اسفندماه ۱۳۷۶ اتوبوس حامل دانشجویان ریاضی شرکت‌کننده در بیست و دومین دورهٔ مسابقات ریاضی دانشجویی، که در آن تیم متشکل از میرزاخانی، ایمان افتخاری و حسین نمازی در آن رتبهٔ اول کشور را کسب کرده بودند، که از اهواز راهی تهران بود (مسابقات ریاضی دانشجویی در اهواز برگزار شد) به دره سقوط کرد و طی آن شش تن از دانشجوی نخبهٔ ریاضی دانشگاه صنعتی شریف شامل آرمان بهرامیان، رضا صادقی - برندهٔ دو مدال طلای المپیاد جهانی - علیرضا سایه‌بان، علی حیدری، فرید کابلی، دکتر مجتبی مهرآبادی و مرتضی رضایی دانشجوی دانشگاه تهران که اغلب از برگزیدگان المپیادهای ملی و بین‌المللی ریاضی بودند، جان باختند و مریم میرزاخانی از جمله دانشجویان بازمانده از این سانحه بود.
در تیر ۱۳۹۶ اعلام شد میرزاخانی به دلیل ابتلا به سرطان در بیمارستانی در آمریکا بستری است. یکی از نزدیکان او گفت که حال وی وخیم است. میرزاخانی از چهار سال پیش‌تر به سرطان سینه مبتلا بود، و این سرطان به مغز استخوان وی سرایت کرده بود. وی در ۲۴ تیر ۱۳۹۶ در ۴۰ سالگی در ایالات متحدهٔ آمریکا درگذشت.
