Elle naquit à Smolensk, en Russie, dans une famille aisée qui l'encouragea à étudier la médecine. Son penchant naturel, cependant, allait aux arts et, en 1903 elle préféra s'orienter vers des études artistiques à l'Académie de Saint-Pétersbourg. En 1905, elle visita Paris, alors la capitale artistique du monde.

Deux ans plus tard, elle s'y installa et devint partie intégrante de la communauté artistique de la « Rive Gauche » à Montparnasse, travaillant comme correspondante pour plusieurs journaux russes en même temps qu'elle étudiait la peinture sous la direction d'Henri Matisse et suivait des cours à l'École des beaux-arts..

En 1908, elle fonde l'Académie russe et en 1912 ouvre à Montparnasse son propre atelier – l'« Académie Vassilieff » – qui devint un lieu de rencontre pour l'avant-garde de l'art de cette époque avec la fréquentation d'artistes comme Erik Satie, Henri Matisse, Nina Hamnett, Amedeo Modigliani, Ossip Zadkine, Juan Gris et Chaïm Soutine. En 1998, cet atelier deviendra le musée du Montparnasse.

En peu de temps les murs de l'atelier de Marie Vassilieff réunissaient une collection de peintures de Marc Chagall et Modigliani, des dessins de Pablo Picasso et Fernand Léger, et une sculpture d'Ossip Zadkine.

En 1913, Fernand Léger y donna deux conférences sur le sujet de l'art moderne. (« Les origines de la peinture et sa valeur représentative »).

Elle retourne plusieurs fois en Russie et notamment pour l'Exposition 0.10 de fin 1915.

Ce dont pourtant on se souvient le plus à propos de Marie Vassilieff c'est de sa cantine, ouverte pendant la Première Guerre mondiale. Elle s'était portée volontaire comme infirmière dans la Croix-Rouge française et avait vu à quel point avait empiré la situation financière de nombreux artistes de Paris, qui connaissaient déjà des difficultés. Beaucoup d'artistes venus logés leur misère à Paris avant guerre étaient connus d'elle. Le gouvernement français en guerre décida, afin de soutenir l'économie en guerre, de verser une pension de compensation à toute activité économique lésée par la situation. Les artistes, ne pouvant en principe plus vendre leurs œuvres aussi facilement, bénéficièrent ainsi d'une pension de quelques centimes par jour les rendant souvent plus riches qu'avant le déclenchement du conflit. Comme ils n'avaient souvent que peu ou rien à manger, elle ouvrit en 1915 sa cantine qui, pour quelques centimes seulement, fournissait un repas complet et un verre de vin.

En même temps que sa cantine rendait un service utile, elle devint pendant la guerre un lieu de rassemblement populaire pour la communauté artistique. À ce moment le gouvernement avait mis en place un couvre-feu et les restaurants et les cafés de Paris étaient tous obligés de fermer tôt, mais la cantine de Marie Vassilieff, inscrite comme club privé, n'était par conséquent pas soumis à cette obligation. Le résultat fut que l'endroit devint bondé et, la nuit, était rempli de musique et de danse.

En janvier 1917, Georges Braque, qui avait été blessé au combat fut libéré du service militaire. Marie Vassilieff et Max Jacob décidèrent d'organiser un dîner pour lui et son épouse, Marcelle. Parmi les invités se trouvait Alfred Pina avec sa nouvelle compagne, Beatrice Hastings, qui venait de mettre fin à sa liaison de deux ans avec Amedeo Modigliani. Connaissant trop le penchant de Modigliani à provoquer du désordre quand il avait bu – et cela lui arrivait souvent – Marie Vassilieff ne l'invita pas à la fête. Le monde de l'art était cependant petit et la nouvelle de cette réunion arriva bientôt à Modigliani. Sans avoir été invité et passablement ivre, Modigliani se présenta en cherchant la bagarre. Une rixe s'ensuivit, un pistolet sortit, et Marie Vassilieff, malgré sa petite taille, poussa Modigliani au bas de l'escalier pendant que Pablo Picasso et Manuel Ortiz de Zarate fermaient à clé la porte. Marie Vassilieff en fit un dessin maintenant très connu et qui représentait les événements de la soirée.

Les créations propres de Marie Vassilieff appartiennent essentiellement au style cubiste, ses tableaux les plus intéressants sont des portraits de danseurs aussi bien que des portraits de ses amis, Jean Cocteau, Picasso, Matisse ou Claude Duboscq. On la connaît aussi pour ses pièces de mobilier décoratives et ses portraits de poupées et ses œuvres restent très populaires. Bien qu'elles n'aient jamais atteint la stature ou les prix invraisemblables de quelques-unes de ses illustres contemporains, on peut les trouver aujourd'hui dans les musées et dans les collections privées du monde entier.

À la fois comme artiste et comme amie, Marie Vassilieff faisait partie intégrante de la grande communauté créative de Montparnasse, où aujourd'hui encore on peut voir ses panneaux décoratifs, créés en 1927, pour les colonnes de la salle à manger de la Coupole.

Décoratrice pour les Ballets suédois dirigés par Rolf de Maré, Marie Vassilieff créa également des figurines à partir de matériaux de récupération, croquant le « tout Paris », dont le couturier Paul Poiret. Elle utilisait aussi bien des tissus, des cartons, du cuir que du fil de fer...

Elle participe à plusieurs expositions à Londres en 1928 et 1930, et en Italie en 1929. Amie d'Alfred Jarry, elle organisa pour lui un hommage.

En 1934, elle crée dans son atelier un Musée Marie Vassilieff (on parle également d'« Académie Vassilieff », Jean Dannet commençant alors à y peindre sous ses conseils). De 1938 à 1946 elle vit à Cagnes-sur-Mer.

Marie Vassilieff mourut dans une maison pour artistes âgés de Nogent-sur-Marne et fut inhumée au cimetière du village. Elle a laissé un livre de mémoires : La Bohême du XXe siècle.