Née à Lisbonne dans une famille d'artistes, Maria de Medeiros quitte rapidement le Portugal pour Paris. Elle y étudie à l'Ecole nationale supérieure des arts et techniques du théâtre. Elle entre ensuite au Conservatoire national d'art dramatique. Elle est révélée par Joao César Monteiro qui lui offre son premier rôle au cinéma en 1982 dans Silvestre.

A la fois présente sur les écrans et sur les planches, elle apparaît dans la pièce Elvire Jouvet 40 mise en scène par Brigitte Jacques. Les différentes représentations lui permettent de se faire un nom en France. A partir de là, sa carrière se partage entre le Portugal (Où frappe le soleil) et l'Hexagone (La Lectrice, Le Moine et la sorcière).

En 1990, elle fait ses premiers pas sur le sol américain dans Henry & June de Philip Kaufman. Elle y interprète un personnage trouble et côtoie Uma Thurman et Kevin Spacey. Un an après, elle joue dans La Tentation de Venus de Istvan Szabo. En 1994, elle figure au casting de Pulp Fiction de Quentin Tarantino, où elle interprète la petite amie fragile et naïve de Bruce Willis. Le film reçoit la Palme d'Or au Festival de Cannes et l'Oscar du meilleur scénario et apporte à Maria de Medeiros la reconnaissance internationale.

Malgré ce succès, elle reste fidèle à ses origines et continue de tourner au Portugal. En 1991, elle joue dans La Divine Comedie sous la direction du grand maître portugais Manoel de Oliveira. En 1994, elle est à l'affiche de Três Irmaos de Teresa Villaverde, film pour lequel elle reçoit le prix d'interprétation féminine au Festival de Venise. Un an après, elle joue dans Adam et Eve de Joaquim Leitao. Parallèlement, on la voit régulièrement à la télévision durant la deuxième moitié des années 90. Elle apparaît ainsi dans des téléfilms tels que Maria fille de Flandre ou Saint-Exupéry : La dernière mission aux côtés de Bernard Giraudeau.

Du côté français, elle joue dans le premier film de Bernard Rapp, Tiré à part (1996). Elle passe du registre policier au conte fantastique avec Les Mille Merveilles de l'univers (1997, Jean-Michel Roux) et Babel de Gerard Pullicino. Elle tourne également dans des comédies, dont Des nouvelles du bon Dieu (1995, Didier Le Pêcheur), Deuxième Vie (2000, Patrick Braoudé) et Moi César, 10 ans 1/2, 1,39 m (2002, Richard Berry).

En 1999, après s'être frottée à la réalisation avec les courts métrages Severine C., Fragmento II d'après Samuel Beckett et La Mort du Prince d'après Fernando Pessoa, elle écrit et réalise son premier long métrage, Capitaines d'avril, présenté au Festival de Cannes. Le film retrace la Révolution des Oeillets qui eut lieu à Lisbonne en 1974. Elle réitère l'expérience en 2004 avec le documentaire Je t'aime... moi non plus sur la relation cinéaste/critique.

En 2002, le Canadien Guy Maddin l'a fait jouer dans la comédie musicale The Saddest music in the world où elle partage l'affiche avec Isabella Rossellini. Plus récemment, elle apparaît dans Médée Miracle, réalisé en 2007 par l'italien Tonino De Bernardi et dans la série Vénus et Apollon, tirée du film de Tonie Marshall, Vénus beauté (institut). Elle fait son retour sur les écrans en 2011 avec HH, Hitler à Hollywood, un faux documentaire qui brouille habilement la frontière entre réalité et fiction, et Ni à vendre, ni à louer, une comédie décalée de Pascal Rabaté réunissant Jacques Gamblin, François Damiens, François Morel et Dominique Pinon.