Maria s-a născut în anul 1700 la Iași, fiind primul copil al prințului Dimitrie Cantemir și al soției sale, Casandra. Următoarea fată, Smaranda, și cei 4 băieți ai cărturarului, Matei, Constantin, Șerban și Antioh au văzut lumina zilei la Istanbul, acolo unde tatăl lor studia la Academia Patriarhiei Ecumenice, o filială a Universității de la Padova.
Maria a primit o educație foarte bună, era bine instruită, vorbea la perfecție greaca veche, latina și limba italiană, avea cunoștințe de matematică, astronomie, filosofie, istorie, literatură universală, pictură și muzică.
Tatăl ei, Dimitrie Cantemir, marele cărturar și domn al Moldovei, s-a alăturat țarului Petru cel Mare în Războiul ruso-turc și, după ce a fost învins de otomani în Bătălia de la Stănilești, a fost nevoit să se refugieze in Rusia. Bineînțeles, familia sa l-a însoțit, astfel că din 1711 
Maria Cantemir va trăi în proximitatea curții imperiale.
În timpul festivităților din toamna și iarna anilor 1721-1722, serbări dedicate încheierii păcii de la Nystadt, Maria, ajunsă la vârsta de 22 de ani, s-a îndrăgostit de țarul Petru I. Acesta era însă căsătorit cu Ecaterina Alekseevna, o fostă țărancă suedeză harnică, veselă, bună la suflet și vitează. Împărăteasa îi dăruise lui Petru 12 copii, dar dintre ei doar doi vor supraviețui: Anna, viitoare Ducesă de Holstein-Gottorp, și Elisabeta, viitoare împărăteasă a Rusiei.
Maria Cantemir a intrat, începând din acea iarnă, într-o relație intimă cu țarul și l-a urmat pe acesta în Astahan în 1722, unde se pare că a născut un fiu. Copilul a murit în 1723, posibil otrăvit chiar de medicul împărătesei Ecaterina.
O altă variantă expusă într-un studiu redactat de istoricul rus Leonid Nikolaevici Maikov arată că Maria ar fi fost constrânsă să avorteze în secret, sub supravegherea medicului Curții Imperiale, Polikala, la presiunea țarinei, iar după alte surse copilul s-ar fi născut mort.
E aproape cert că țarina Ecaterina a privit-o pe Maria ca pe o amenințare și că a încercat să o despartă de Petru cel Mare pentru că s-a temut să nu fie înlocuită de ea, dar relația frumoasei Mariei Cantemir cu țarul a continuat, însă, până la moartea acestuia, în 1725.
Fiica domnitorului Dimitrie Cantemir a fost obligată supă aceea să părăsească curtea imperială și doi ani mai târziu o regăsim ca doamnă de onoare a Marii Ducese Natalia (în perioada 1727–28), apoi, timp de un an, a împărătesei Ana a Rusiei, nepoata de frate a defunctului Petru cel Mare. Maria Cantemir nu s-a căsătorit niciodată, dar se știe că a găzduit un salon literar bine cotat la Sankt Petersburg și că a murit la Moscova, la vârsta de 57 de ani.
