Майя Кристалинская родилась 24 февраля 1932 года в Москве в русско-еврейской семье. Во время учёбы в школе занималась в детском хоровом коллективе Народного ансамбля песни и танца Центрального дома детей железнодорожников, которым руководил Семён Осипович Дунаевский, брат Исаака Дунаевского. После окончания школы в 1950 году поступила в Московский авиационный институт. В институте она занималась художественной самодеятельностью. После окончания института уехала по распределению в Новосибирск на завод имени Чкалова. Но, по воспоминаниям подруги и одногруппницы Валентины Котёлкиной, они вскоре вернулись в Москву, и Майя стала работать в КБ А. Яковлева.
В 1957 году Майя Кристалинская стала лауреатом Московского международного фестиваля молодёжи и студентов, на котором выступала с самодеятельным ансамблем «Первые шаги» под руководством Юрия Саульского. В том же году она вышла замуж за писателя Аркадия Арканова. Брак был недолгим и вскоре распался.
После 1960 года она записала песню Маши для кинофильма «Жажда» и с выходом фильма стала популярна в СССР. Первоначально эту песню исполнила Денисова Ирина Сергеевна, артистка молодёжного ансамбля «Полный вперёд!» Ленинградской Филармонии, позднее журналистка (творческий псевдоним Рыжова), но это даже не было отражено в титрах. Когда фильм и песня стали популярны, песню стали исполнять певицы, к фильму сделали новую звуковую дорожку и вставили в титры фамилию исполнительницы (в разных вариантах: Кристалинская, Дворянинова). Она много гастролировала по стране, работала с джаз-оркестрами Эдди Рознера и Олега Лундстрема, тиражи пластинок с исполняемыми ею песнями быстро раскупались.
В возрасте 29 лет врачи обнаружили у неё тяжёлую болезнь — опухоль лимфатических желез (лимфогранулематоз). Она прошла тяжёлый курс лечения, но с тех пор ей приходилось выходить на сцену с косынкой на шее, чтобы скрывать следы болезни от зрителей.
Майя Кристалинская стала первой исполнительницей легендарной песни «Нежность» композитора Александры Пахмутовой, записав её в 1966 году. Чермен Касаев (музыкальный редактор ВР и ЦТ), присутствовавший тогда в студии звукозаписи, в документальном фильме «Опустела без тебя земля…» (2005), посвящённом певице, вспоминал, что у Майи Владимировны, при прослушивании уже записанной фонограммы, капали слёзы из глаз: «Вот такие росинки…. утренняя летняя роса…», — так трогала её песня...
«Нежность» на долгие годы стала визитной карточкой певицы.
В 1966 году Майя Кристалинская была признана лучшей эстрадной певицей года.
В начале 1970-х после песни «В нашем городе дождь» на новогоднем «Голубом огоньке» руководство телевидения обвинило певицу в пропаганде грусти, после чего по телевидению её практически перестали показывать, хотя гастроли по стране продолжались. Но на самом деле причина была в том, что с приходом на должность председателя Гостелерадио Сергея Лапина на Центральном телевидении СССР начался период антисемитизма, и в жизни многих выдающихся артистов настала чёрная полоса; под этот безжалостный антисемитский «каток» попала и Кристалинская.
Тем не менее, в 1974 году ей всё же было присвоено звание «Заслуженная артистка РСФСР».
В последние годы жизни она переводила с немецкого языка книгу Марлен Дитрих «Размышления». Книга вышла в СССР уже после смерти Майи Кристалинской.
В 1984 году её болезнь обострилась, и прожить ей удалось ещё только год. 19 июня 1985 года в возрасте 53 лет Майя Кристалинская скончалась, ровно на 1 год пережив своего спутника жизни, архитектора Эдуарда Барклая, который умер от сахарного диабета 19 июня 1984 года. Через полгода после его смерти, услышав по радио свою знаменитую «Нежность», она возненавидела эту песню, напомнившую ей о её утрате и душевной боли.
Похоронена на Донском кладбище в Москве. Эпитафия на её могиле гласит: «Ты не ушла, ты просто вышла, вернёшься — и опять споёшь».
Известный поэт Роберт Рождественский называл Майю Кристалинскую «Эхом нашей юности».