Мария Шелл — дочь швейцарского писателя Германа Фердинанда Шелла (1900—1972) и венской актрисы Маргарете Ноэ фон Нордберг (1905—1995). Вместе со своими братьями Максимилианом и Карлом и сестрой Имми Мария воспитывалась в Австрии, а после аншлюса семья Шеллов в 1938 г. покинула страну, переселившись в Цюрих.
В 1942 г. Мария забросила своё обучение коммерции, когда её актёрский талант приметил Зигфрит Штайнер и она получила роль в фильме «Каменоломня» (нем. Steibruch) с участием Генриха Гретлера. Тогда ещё носившая имя Гритли, не имевшая профессионального образования Шелл стала изучать актёрское мастерство и получила от нескольких театров предложения работы. В 1948 г. актриса вновь обратила внимание на кинематограф.
Первой главной ролью Марии Шелл стал фильм «Ангел с трубой» (1949).
Фильм Гельмута Койтнера «Последний мост» принёс Марии Шелл в 1954 г. гран-при Международного кинофестиваля в Каннах за лучшую женскую роль. В том же году актриса была награждена кубком Вольпи на Венецианском кинофестивале за заглавную роль прачки в фильме «Жервеза», номинировавшемся также на премию «Оскар» как лучший фильм на иностранном языке. В холле отеля в Голливуде, где Мария Шелл находилась по случаю награждения, она познакомилась с Юлом Бриннером, предложившем ей роль Грушеньки в экранизации «Братьев Карамазовых».
Мария Шелл также снималась с Гэри Купером и Гленном Фордом. В 60-е гг. Мария вновь вернулась на театральную сцену, а также работала на телевидении.
В 1991 г. попытка суицида Марии Шелл оказалась в центре внимания многих печатных изданий. В 1994—1995 г. Шелл играла в телевизионной саге «Клан Анны Фосс», который стал одной из её последних телевизионных работ. Последние годы жизни Мария Шелл провела в уединении в родительском доме в Каринтии. В последний раз Мария Шелл появилась на экранах в 1996 г. в телевизионном криминальном сериале «Место преступления» (нем. Tatort). В 2002 г. брат Марии Максимилиан Шелл снял о ней документальный фильм «Моя сестра Мария».
С 1957 по 1965 гг. Мария Шелл находилась в браке с режиссёром Хорстом Хехлером, а с 1966 по 1986 г. — с режиссёром Файтом Релином. В первом браке Мария Шелл родила сына Оливера, а во втором — дочь Мари-Терез, которая также стала актрисой.