Marie Bäumer, geboren am 7. Mai 1969 in Düsseldorf als Tochter eines Architekten und einer Psychotherapeutin, wuchs in Hamburg auf. Nach dem Besuch des Gymnasiums absolvierte sie die Oberstufe auf einer Waldorfschule. 1992 begann sie eine Schauspielausbildung an der Scuola Teatro Dimitri in Verscio im Tessin sowie im "Studio 033" in Hamburg, von 1994 bis 1996 gefolgt von einem Studium an der Hochschule für Musik und Theater Hamburg, wo sie von Jutta Hoffmann in Schauspiel unterrichtet wurde.

1995 hatte sie nach kleineren Fernsehrollen und ersten Theaterauftritten bei den Hamburger Kammerspielen ihr vielbeachtetes Kinodebüt in Detlev Bucks Komödie "Männerpension". Schon bald wurde Marie Bäumer sowohl mit Blick auf Ihr Aussehen als auch wegen ihres großen Talents mit der jungen Romy Schneider verglichen. Auch im Horrorthriller "Sieben Monde" (1998) überzeugte Bäumer, der Durchbruch kam allerdings mit einer weiteren Komödie: In Michael "Bully" Herbigs Kassenschlager "Der Schuh des Manitu" (2001) spielte Bäumer die Barsängerin Uschi. Höchstes Kritikerlob erhielt sie zwei Jahre später für ihre Charakterrolle in Oskar Roehlers Psychodrama "Der alte Affe Angst". Als Ärztin Marie kämpft sie darin um die Liebe ihres verzweifelten Mannes Robert (André Hennicke). Für ihre subtile Darstellung wurde Marie Bäumer 2002 mit dem Bayerischen Filmpreis und dem Preis der deutschen Filmkritik ausgezeichnet.

Auch in internationalen TV-Produktionen reüssierte Bäumer, so war sie in den Miniserien "Resurrezione" (2001) und "Luisa Sanfelice" (2004) der Brüder Taviani zu sehen, außerdem in "Napoléon" (2002), in dem sie die Schwester der Titelfigur spielt.

Weitere Arbeiten fürs Fernsehen folgten mit "Wellen" (2005) unter der Regie von Vivian Naefe, "Ein toter Bruder" (2005) von Stefan Krohmer und Roland Suso Richters aufwändigem Zweiteiler "Dresden" (2006). Im Kino war sie im österreichischen Oscar-Gewinner "Die Fälscher" (2007) zu sehen, allerdings nur in einer kleinen Rolle. 2008 spielt sie erneut eine Kinohauptrolle in Nicolai Rohdes Drama "10 Sekunden". Als Frau eines Fluglotsen, die seine Schuldgefühle wegen eines Flugzeugunglücks nicht mehr ertragen kann, flüchtet sie sich in eine Affäre.

Um eine emotionale Ausnahmesituation geht es auch in Bäumers aktuellster Kinohauptrolle: In Sebastian Schippers "Mitte Ende August" (2009) verkörpert sie eine glücklich verliebte Frau, deren Gefühle durch den Bruder ihres Freundes auf die Probe gestellt werden.