Мария Митчелл родилась 1 августа 1818 года в Нантакете, штат Массачусетс, в семье Уильяма Митчелла и Лидии Колеман Митчелл. Молодые годы девушки прошли в сообществе квакеров, которые приветствовали получение образования девочками и равенство женщин. Митчелл и ее сестры были также хорошо образованы, как и их братья. Уильям Митчелл основал собственную школу, где Мария была не только ученицей, но и активно помогала ему. Отец оценил страсть Марии к астрономии и начал изучать с ней этот предмет, используя свой собственный телескоп дома. У девушки был природный талант видеть небесные тела, и она легко помогла отцу определить точный момент кольцевого затмения.
Закончив обучение в школе, она начала работать в качестве преподавателя. В конце концов, Мария открыла свою школу в 1835 году. Эта независимая женщина, которая верила в равные права для всех, разрешила всем детям, независимо от их цвета кожи или расы, посещать ее школу. Впоследствии ей была предложена должность первого библиотекаря в читальном зале Нантукета. Работая там примерно 20 лет, Митчелл, тем не менее, продолжала наблюдать за небесными телами. В свободное время от основной работы она занималась любимым делом — астрономией. Мария Митчелл заметила необычное небесное тело (комету) осенью 1847 года. Об этом сразу же был уведомлен ее отец. Девушка зафиксировала положение данного объекта и продолжала наблюдать за ним, пока не удостоверилась, что ее предположение было верным. Это открытие принесло ей славу, о ней узнали во всем мире. Митчелл получила репутацию первого астронома-профессионала Америки. В 1848 году она была избрана членом Американской академии искусств и наук, став первой женщиной, получившей эту честь. Митчелл также была убежденной феминисткой, которая отстаивала права женщин и поощряла их к реализации своих интересов вместо того, чтобы ограничивать себя делами, связанными с домом.
Мария Митчелл никогда не была замужем. Всю свою жизнь она оставалась рядом с родителями, братьями и сестрами, которые были ее единственной семьей. Женщина-астроном покинула наш мир 28 июня 1889 года. Марии было 70 лет. Она умерла в штате Массачусетс (город Линн). В честь нее назвали обсерваторию, расположенную на острове Нантакет, а также кратер на Луне. Мария Митчелл была посмертно удостоена места в Национальном зале славы женщин в США в 1994 году.