Maria Margarete Anna Schell wird am 15. Januar 1926 in Wien geboren. Die Tochter der Schauspielerin Margarethe Noé von Nordberg (1905–1995) und des Dichters Hermann Ferdinand Schell (1900–1972) hat drei Geschwister: Carl, Maximilian und Immy Schell, die später ebenfalls als Schauspieler tätig werden.

Ihren ersten Bühnenauftritt hat Maria mit sieben Jahren in der Urania in Wien. Die Familie Schell wohnt in den 1930er Jahren zunächst abwechselnd auf ihrer Alm in Preitenegg/Kärnten und in der Stadtwohnung in Wien. 1938, kurze Zeit nach dem "Anschluss" Österreichs ans Deutsche Reich, geht der den Nationalsozialisten gegenüber kritisch eingestellte Hermann Ferdinand Schell mit Frau und Kindern in die Schweiz. Die Familie trennt sich vorübergehend. So wird Maria Schell auf eine Klosterschule im elsässischen Colmar geschickt, doch nach Kriegsbeginn darf sie bei den Eltern in Zürich bleiben.

Mit 14 Jahren beendet Maria Schell ihre reguläre Schulkarriere und absolviert für anderthalb Jahre eine kaufmännische Ausbildung. Bereits 1942 gibt sie ihr Filmdebüt neben Heinrich Gretler und ihrer Mutter in dem Melodram "Steibruch". Nach dreimonatigem Besuch einer Schauspielschule erhält sie 1942 ein Engagement am Rudolf-Bernhard-Theater in Zürich, 1944/45 steht sie beim Städtebund-Theater Biel-Solothurn unter Vertrag, 1946/47 am Stadttheater Bern sowie am Schauspielhaus Zürich.

1947 geht sie nach Wien an das Theater in der Josefstadt. Fortan arbeitet sie unter dem Namen Maria Schell und wird kurz darauf von Karl Hartl für seine erste Nachkriegsregie, "Der Engel mit der Posaune", verpflichtet. An der Seite von Attila Hörbiger spielt sie anschließend die weibliche Hauptrolle in "Maresi".

Gustav Ucicky ist Maria Schells Regisseur beim Nachkriegsdrama "Nach dem Sturm". Als Sir Alexander Korda eine englischsprachige Version von "Der Engel mit der Posaune" drehen will, reist Maria Schell nach Großbritannien. In den Shepperton-Studios entsteht "The Angel with the Trumpet" und Korda überredet Schell dazu, einen Siebenjahresvertrag bei ihm zu unterschreiben. Bis 1955 entstehen jedoch nur drei weitere Schell-Filme in England, darunter "The Magic Box" über den britischen Filmpionier William Friese-Greene und "So Little Time".

Die Zahl ihrer britischen Filme bleibt auch begrenzt, weil Korda ihr bei ihrer deutschen Karriere keine Steine in den Weg legt: In Rudolf Jugerts Liebesdrama "Es kommt ein Tag" spielt sie vor dem Hintergrund des deutsch-französischen Krieges 1870/71 eine junge Französin, die eine große Liebe mit einem deutschen Korporal verbindet. Als Korporal ist Dieter Borsche in seiner zweiten großen Filmrolle zu sehen. Deutschland hat nun ein Traumpaar und mit Schell einen gefeierten weiblichen Star, der 1950 sofort die populärste Schauspielerin wird.

Zusammen mit Borsche dreht sie in Folge den Arztfilm "Dr. Holl". Der Film wird mit sechs Millionen Kinobesuchern ein überwältigender Erfolg und Maria Schell erhält den ersten von insgesamt neun Bambis. Ein weiteres Traumpaar des deutschen Film bildet Schell gemeinsam mit O. W. Fischer: Filme wie "Bis wir uns wiederseh'n", "Der träumende Mund", "Solange du da bist" untermauern Schells Popularität und prägen ob ihres sentimentalen Grundtenors das Image vom "Seelchen" Maria Schell. Die Schauspielerin selbst kommentierte ihr damaliges Rollenbild sehr pointiert: "Niemand weint so schön und schnell wie im Film Maria Schell."

Mit ihrer eindrucksvollen Darstellung einer zwischen den Fronten aufgeriebenen deutschen Ärztin in Helmut Käutners Antikriegsfilm "Die letzte Brücke" weckt Maria Schell erstmals internationales Interesse: Bei den Filmfestspielen in Cannes wird der Film 1954 von der Jury ausgezeichnet, wobei Schell eine Ehrenvolle Erwähnung für ihre Leistung zuteil wird.

Es folgen Hauptrollen in den Gerhart-Hauptmann-Adaptationen "Die Ratten" von Robert Siodmak und "Rose Bernd" von Wolfgang Staudte. Literaturverfilmungen dreht Schell auch in Frankreich und Italien: "Gervaise "entsteht nach Zola, Viscontis "Le Notti Bianche" nach Dostoevskij.

"Gervaise" wird 1956 für den Auslands-Oscar nominiert. Dadurch nunmehr auch in Hollywood entdeckt, wird Maria Schell 1957 für die Rolle der Gruschenka in "The Brothers Karamazov" engagiert. Von M-G-M bekommt die Schweizerin einen Siebenjahresvertrag. Wenig später heiratet sie den Schauspieler und Regisseur Horst Hächler, den sie bei den Dreharbeiten zu "Die letzte Brücke" kennengelernt hat. Die Ehe, aus der 1962 Sohn Oliver hervorgeht, wird 1965 geschieden.

"The Brothers Karamazov" ist zwar in den USA erfolgreich, in Deutschland jedoch nicht. Die beiden folgenden US-Produktionen mit Maria Schell sind Western: In "The Hanging Tree" ist ihr Partner Gary Cooper, in "Cimarron" (1960) spielt sie an der Seite von Glenn Ford. Daneben wirkt Schell auch in Produktionen des US-Fernsehens mit.

In Deutschland übernimmt sie Rollen in Produktionen wie "Der Schinderhannes" mit Curd Jürgens oder "Das Riesenrad" mit O. W. Fischer. Gemeinsam mit ihrem Bruder Maximilian sowie Lilli Palmer und O. W. Fischer gründet Maria Schell die Star Allianz Filmproduktionsgesellschaft mbH. Nach Vorbild der United Artists will man künstlerisch wichtige Filme produzieren. Die Komödie "Zwei Whisky und ein Sofa" wird realisiert, andere, ambitioniertere Projekte kommen jedoch nicht über die Planungsphase hinaus.

Von 1964–68 steht Schell außer für die TV-Produktionen "Who has seen the Wind?" und "Nora oder ein Puppenheim" nicht vor der Kamera. Nora-Regisseur Veit Relin wird 1966 ihr zweiter Ehemann. Wenige Monate später wird die gemeinsame Tochter Marie-Theres, die auch Schauspielerin wird, geboren. Mit Relin konzentriert sich Maria Schell auf das Theater, doch realisiert das Paar auch einige gemeinsame Filmprojekte: "Chamsin", "Die Pfarrhauskomödie" und "So oder so ist das Leben".

Ab Ende der 1960er Jahre übernimmt Maria Schell häufig Neben- oder Gastrollen in Kinoproduktionen, die stark auf den Bekanntheitsgrad des Stars setzen. Dazu zählen ihre Auftritte in "Die Akte Odessa" (1974), in "Superman" (1977/78) und in "Schöner Gigolo, armer Gigolo" (1977/78). Auch in "Die Spaziergängerin von Sans-Souci", Romy Schneiders letztem Film, wirkt Schell mit.

1984 markiert Hugh Brodys "1919" noch eine wichtige Hauptrolle in ihrer Kinokarriere, ansonsten ist Maria Schell in den 1980ern vorwiegend in TV-Produktionen präsent. Von 1987–91 ist sie der Star in der erfolgreichen ARD-Familienserie "Die glückliche Familie". 1995 spielt sie eine ihrer letzten Rollen, eine Äbtissin im Tatort-Krimi "Heilig Blut". Zu diesem Zeitpunkt hat Maria Schell bereits den Rückzug aus der Öffentlichkeit angetreten. Die Schauspielerin leidet unter privaten Rückschlägen und schweren seelischen und gesundheitlichen Problemen. Ihren letzten öffentlichen Auftritt hat sie im Februar 2002 bei der Weltpremiere von "Meine Schwester Maria", dem Dokumentarfilm ihres Bruders Maximilian Schell.

Maria Schell stirbt am 26. April 2005 auf der Familienalm in Kärnten an den Folgen einer Lungenentzündung.