Училась в Национальном университете изобразительных искусств и музыки в Токио, защитила диплом по творчеству Оливье Мессиана. В Париже занималась в классах Режин Креспен, Уильяма Кристи.
С 2004 преподает в Национальной консерватории Страсбурга.
Репертуар Мари Кобаяси очень широк — от барокко (Вивальди, Моцарт) до классики XX века (Малер, Берг, Стравинский) и современных композиторов (Булез, Бёртуистл, Вольфганг Рим, Лучано Берио, Софи Лаказ, Габриэль Вальверде, Пётр Мосс, Брюно Куле, Жерар Гаспарян и др.). Выступает с Ensemble Intercontemporain, работает с такими дирижёрами, как Петер Этвеш, Пьер Булез, Мстислав Ростропович и др.
Лауреат многочисленных французских и международных конкурсов и премий.