Родилась в семье бывшего крепостного крестьянина, принадлежавшего помещику Кашину. После рождения Марии семья переезжает в столицу Российской империи — Санкт-Петербург, где будущая актриса оканчивает Мариинскую женскую гимназию, получив диплом домашней учительницы.
С 1885 года М. М. Блюменталь-Тамарина увлекается театром — она впервые выходит на любительскую сцену с небольшой ролью.
На большой сцене играла с 1887 года, в Москве с 1901 года. Первый выход в качестве профессиональной актрисы состоялся на сцене Летнего театра в Петровском парке Москвы (Китти в спектакле «Кин, или Беспутство и гений» по пьесе Дюма-отца). До 1889 года М. М. Блюменталь-Тамарина выступала в «Театре мелодрам и разных представлений», возглавляемом М. Лентовским.
До 1901 года М. М. Блюменталь много гастролирует, выступая в провинциальных театрах Тифлиса, Владикавказа, Ростова-на-Дону, Харькова. Вернувшись в Москву, актриса поступает в труппу антрепренера Корша (Московский театр «Комедия»), где работает до 1915 года. Затем М. М. Блюменталь-Тамарина играет в Театре Суходольского, а через три года в Показательном государственном театре. В 1933 году актриса приходит в Малый театр, где и играет вплоть до своей смерти.
Огромную роль в творчестве М. М. Блюменталь-Тамариной сыграл режиссёр Н. Н. Синельников, с которым она работала с 1894 по 1910 гг.
Характерной особенностью сценической деятельности М. М. Блюменталь-Тамариной было то, что она играла возрастные роли. Среди них наиболее яркими были роли: из произведений А. Н. Островского — Галчиха в пьесе «Без вины виноватые», Домна Пантелеевна в комедии «Таланты и поклонники», Анфуса Тихоновна в комедийной пьесе «Волки и овцы», из произведений Л. Н. Толстого — Матрёна в пьесе «Власть тьмы», из произведений А. П. Чехова — в пьесе «Дядя Ваня».
Дебют в кино состоялся в 1911 году (Лиза, «Живой труп»).
Муж — актёр А. Э. Блюменталь-Тамарин, сын — Всеволод Блюменталь-Тамарин.
М. М. Блюменталь-Тамарина умерла 16 октября 1938 года. Похоронена на Новодевичьем кладбище.