De son véritable nom Claudine Huzé, Marie Dubois fait ses armes à l’École de la rue Blanche (ENSATT) et poursuit sa formation en suivant les cours d’Henri Rollan au Conservatoire. Apprenant aussi bien le théâtre classique que la comédie moderne, l’actrice fait ses débuts sur les planches dans les pièces Hyménée, Le Misanthrope, Les Sorcières de Salem ou encore Boeing-Boeing. Elle est remarquée par François Truffaut lors de ses apparitions dans les séries télévisées La Caméra explore le temps et Les Cinq dernières minutes. Le metteur en scène l’engage alors pour son second long métrage Tirez sur le pianiste, une sorte d’hommage aux films noirs des années 40. C’est d’ailleurs François Truffaut qui offre à la comédienne son pseudonyme, Marie Dubois, en référence à l’héroïne du roman éponyme de Jacques Audiberti (1952). C’est lors du tournage de ce premier long métrage que les premiers symptômes de la sclérose en plaque font leurs apparitions.

La comédienne découvre sa maladie mais décide de se consacrer à sa carrière. Elle tourne donc, en 1961, sous la direction de Jean-Luc Godard dans Une Femme est une femme, premier film en couleurs du réalisateur, où elle donne, pour la première fois, la réplique à Jean-Paul Belmondo, avec lequel elle tournera à 4 reprises. Marie Dubois enchaîne ensuite son second film sous la direction de François Truffaut, Jules et Jim. Poursuivant avec les jeunes réalisateurs de la Nouvelle Vague la comédienne entre dans La Ronde de Roger Vadim sans pour autant oublier le théâtre et les téléfilms.

En 1961, Marie Dubois épouse le comédien et agent (co-fondateur de l’agence Artmedia, plus grosse agence de comédiens en France) Serge Rousseau. L’actrice poursuit avec des films plus populaires tels que Le Monocle noir de Georges Lautner, Week-end à Zuydcoote d’Henri Verneuil (pour lequel elle retrouve Belmondo) ou encore La Chasse à l'homme d’Edouard Molinaro. Récompensée en 1963 par le prix Suzanne Bianchetti, elle incarne l’année suivante la fille de Jean Gabin dans L'Age ingrat de Gilles Grangier et est la seule figure féminine des Grandes gueules de Robert Enrico dans lequel elle fait face à Lino Ventura et Bourvil. Sa fraîcheur et son jeu, d’une justesse incroyable, en font une actrice incontournable des années 1960.

Alternant brillamment films populaires et longs métrages issus de la Nouvelle Vague, elle est, en 1965, à l’affiche des Fêtes galantes de René Clair, du téléfilm de Marie Curie - Une certaine jeune fille et du Voleur de Louis Malle avec Jean-Paul Belmondo. Adapté du roman de Georges Darien, auteur anarchique dont les œuvres sont grandement marquées par un sentiment de révolte contre l'ordre établi, ce film est une véritable réflexion sur l'argent et le pouvoir qu'il confère. La même année Marie Dubois apparaît au casting de La Grande Vadrouille de Gérard Oury aux côtés de Bourvil et Louis de Funès, le film totalise 17 267 000 entrées, et se place en tête du box-office français jusqu’en 1998 (et les 20 millions d’entrées de Titanic).

Rendue populaire grâce au film d’Oury, elle poursuit avec La Maison des Bories de Jacques Doniol-Valcroze dans lequel elle trompe son mari (Maurice Garrel) avec le jeune Mathieu Carrière, puis reçoit le prix d'interprétation de l'Académie Nationale du cinéma pour son rôle dans Les Arpenteurs de Michel Soutter, qu’elle retrouvera deux ans plus tard pour L'Escapade. En 1969 elle fait partie du casting international de Gonflés à bloc aux côtés de Tony Curtis. La comédienne participe ensuite au tournage du film de Claude Sautet, Vincent, François, Paul et les autres, elle y incarne Lucie, la femme de Michel Piccoli et partage l’affiche avec Yves Montand, Serge Reggiani, Gérard Depardieu et Stéphane Audran. En 1976, Luchino Visconti en fait la princesse de son long métrage L'Innocent. L’année suivante Alain Corneau lui offre le rôle de la femme jalouse et dépressive d’Yves Montand dans La Menace. Un rôle pour lequel la comédienne remporte le César du Meilleur second rôle féminin.

Mais plus de vingt ans après les premiers symptômes, sa maladie la rattrape, Marie Dubois est obligée de ralentir ses activités. La comédienne n’apparait alors plus que dans des seconds rôles : L'ami de Vincent de Pierre Granier-Deferre, Mon Oncle d'Amérique (Alain Resnais), Garçon ! de Claude Sautet pour lequel elle retrouve Yves Montand, dans lequel elle héberge chez elle le jeune Richard Anconina et participe au Grand Guignol de Jean Marboeuf. En 1986, elle est nommée au César de la Meilleure actrice dans un second rôle pour Descente aux enfers de Francis Girod. Elle tourne sous la direction de Claude Chabrol pour Rien ne va plus en 1997 et s’engage, quatre ans plus tard, dans la lutte contre la sclérose en plaques dans une campagne de prévention réalisée par Alain Corneau.

Marie Dubois est décédée le 15 octobre 2014 à l'âge de 77 ans.