Née Claudine Huzé, Marie Dubois suivit les cours d'art dramatique de la Rue Blanche, y apprenant la comédie moderne et les classiques. Quand elle en sort, elle joue dans plusieurs pièces de divers registres puis se fait remarquer à la télévision dans La caméra explore le temps et Les cinq dernières minutes. François Truffaut l'y remarque et l'engage pour Tirez sur le pianiste. C'est le cinéaste qui la baptise Marie Dubois (en hommage à une héroïne d'un roman de 1952, de l'écrivain et poète Jacques Audiberti). C'est au cours de ce tournage que se déclarent les premiers symptômes de sa maladie. Elle a 23 ans, et préfère oublier cette première alerte pour tourner avec les réalisateurs de la Nouvelle Vague.
Elle joue dans Une femme est une femme de Jean-Luc Godard, Jules et Jim de François Truffaut et La Ronde de Roger Vadim. Parallèlement, elle se fait actrice populaire en étant dirigée par Georges Lautner, Henri Verneuil ou Edouard Molinaro. En 1964, elle est la fille de Jean Gabin dans L'Âge ingrat, aux côtés de Fernandel. Elle accède réellement à la gloire (et à la postérité) grâce à son rôle de Juliette dans La Grande Vadrouille de Gérard Oury où sa blondeur et ses yeux bleus font chavirer le cœur de Bourvil. Elle retrouve ensuite Jean-Paul Belmondo dans Le Voleur, sous la direction de Louis Malle et donne la réplique à Michel Simon dans un de ses derniers films.
Elle fait partie du casting international de Gonflés à bloc avec Tony Curtis, Jack Hawkins, Peter Cook, Bourvil et Terry Thomas où elle campe une féministe aux côtés de Mireille Darc. En 1972, elle obtient le prix d'interprétation de l'Académie Nationale du Cinéma pour son rôle de Alice dans Les Arpenteurs. Autre succès populaire : Vincent, François, Paul et les autres de Claude Sautet en 1974. La reconnaissance de ses pairs arrive en 1977 où elle obtient le César de la Meilleure Actrice dans un Second Rôle pour sa prestation dans La Menace, de Alain Corneau, où elle incarne une femme jalouse. Après le tournage, sa sclérose en plaques la rattrape, vingt ans après les premières alertes. Dès lors elle ralentit son activité cinématographique, n'apparaissant plus que dans des rôles de second plan dans des films mineurs.
En 2001, elle s'engage publiquement dans la lutte contre la sclérose en plaques, en témoignant dans un film de campagne réalisé par Alain Corneau. Le 3 novembre 2007, elle perd son mari Serge Rousseau (agent et acteur de cinéma) avec qui elle s'était mariée en 1961, père de sa fille Dominique.
