Marisa Tomei sort de l'Université de Boston, un diplôme d'art dramatique en poche, pour atterrir dans la série télévisée Campus Show. A la même période, elle fait ses débuts au cinéma en jouant aux côtés du Kid de la plage Matt Dillon. Quelques années après, elle dévoile ses talents comiques dans L'Embrouille est dans le sac (1991), où elle interprète la fille de Sylvester Stallone, et dans Mon cousin Vinny, film qui lui vaut l'Oscar de la Meilleure actrice dans un second rôle en 1992. On la voit également dans la peau de Mabel Normand, une actrice de films muets, pour le Chaplin de Richard Attenborough. En 1993, sa performance de serveuse transie d'amour pour Christian Slater dans Pluie de roses lui apporte une fois de plus les faveurs des critiques.

Epouse de Michael Keaton dans Le Journal (1994) ou mère pleine de sagesse dans Décroche les étoiles (1996), Marisa Tomei aime à varier les registres, allant du thriller commercial (The Watcher avec Keanu Reeves) à des oeuvres plus intimistes comme In the Bedroom, qui lui permet d'être citée à l'Oscar du Meilleur second rôle féminin en 2002, ou Factotum (2005), une adaptation du roman homonyme de Charles Bukowski. Jouant de son charme aux côtés de Mel Gibson (Ce que veulent les femmes, 2001), Adam Sandler (Self control, 2003) ou Jude Law (Irrésistible Alfie, 2004), la belle marque aussi les esprits par ses prestations dans le film noir 7h58 ce samedi-là (2007) de Sidney Lumet et The Wrestler (2008), un drame de Darren Aronofsky grâce auquel elle remporte à nouveau une nomination à l'Oscar de la Meilleure actrice dans un second rôle.

Marisa Tomei poursuit sa carrière dans les années 2010 en campant de solides seconds rôles féminins. En témoignent par exemple son personnage d'ex-femme de Matthew McConaughey dans La Défénse Lincoln, d'enseignante sexy dans Crazy, Stupid, Love et de journaliste chevronnée dans Les Marches du pouvoir. Elle joue aussi dans Love is Strange, Noël chez les Cooper, The Big Short: Le casse du siècle et quelques épisodes de la série sur le hip hop Empire. En 2015, elle est choisie pour se glisser dans la peau de la Tante May dans les Spider-Man avec Tom Holland. Cette intégration au sein du lucratif MCU lui permet d'apparaître dans Captain America: Civil War, Spider-Man: Homecoming, Avengers: Endgame, Spider-Man: Far from Home et Spider-Man: No Way Home.

Parallèlement, Marisa Tomei prend part au thriller American Nightmare 4: Les Origines et retrouve Judd Apatow pour The King Of Staten Island, une comédie intime aux accents autobiographiques dans laquelle elle incarne la mère du héros.