Мария Ильинична Ульянова родилась 6 (18) февраля 1878 года в Симбирске и была самым младшим ребёнком в семье директора народных училищ Ильи Николаевича Ульянова и его супруги Марии Александровны. Училась в симбирской и казанской гимназиях, затем в московской, которую закончила в 1893 году. В 1895 году подала прошение на физико-химическое отделение математического факультета Высших (Бестужевских) женских курсов в Петербурге. Но туда её не приняли, и она вынуждена была поступить в 1896 году на двухгодичные курсы в Москве. После их окончания получила диплом домашней учительницы.
С осени 1898 года слушала лекции в Новом университете в Брюсселе на химико-физическом факультете.
В 1908—1909 годах жила в Париже и училась в Сорбонне, где получила диплом учительницы французского языка. В апреле 1910 года работала домашней учительницей в Финляндии в небольшом городе около Териоки. Вся последующая жизнь Марии Ильиничны была связана с революционной деятельностью. Замужем не была.
М. И. Ульянова скончалась 12 июня 1937 года. Похоронена в Москве на Красной площади у Кремлёвской стены.
С 1898 года — член РСДРП. Вела пропаганду в рабочих кружках, доставляла нелегальную литературу, выступала связной. Несколько раз была арестована. В сентябре 1899 года после арестов членов московского РСДРП выслана под надзор полиции в Нижний Новгород.
В ночь на 1 марта 1901 года арестована и заключена в одиночную камеру Таганской тюрьмы, после семимесячного заключения выслана в Самару. Третий раз была арестована в январе 1904 года, освобождена под залог в июне того же года, после чего уехала в Швейцарию.
В 1905 году вернулась в Петербург, где работала секретарём Василеостровского районного комитета РСДРП.
2 мая 1907 года арестована. В 1908 году после освобождения переехала в Москву и работала в Московской партийной организации. В 1910 году Мария Ульянова вернулась из Парижа и после непродолжительного ареста была вынуждена переехать в Саратов.
Вновь арестована в мае 1912 года, заключена в тюрьму. Позднее выслана в Вологду. В феврале—апреле 1915 года в Москве обучалась на курсах сестёр милосердия. Летом 1915 года отправилась на Западный фронт с лечебно-питательным отрядом.
С 1903 года — в Секретариате ЦК РСДРП. Член бюро ЦК РСДРП(б) с 1917 года, ЦКК ВКП(б) в 1925—1934 годах, Президиума ЦКК ВКП(б) с 1932 года, ЦИК СССР с 1935 года.
Принимала активное участие в развитии социал-демократической, а затем коммунистической прессы в России. С 1900 года была агентом «Искры», в 1917—1929 годах входила в состав редколлегии «Правды». Один из организаторов рабкоровского и селькоровского движения.