Родилась 15 июля 1853 г. (3 июля 1853 г. по старому стилю) в Москве. Ее отец - Николай Алексеевич Ермолов - служил суфлером в Малом театре (ныне Государственный академический Малый театр России).
В детстве много времени проводила с отцом в театре. В 1862 г., в возрасте девяти лет, была принята в балетный класс Московского императорского театрального училища, но способностей к хореографии не проявила. Участвовала в массовых балетных сценах, а также в драматических постановках, которые осуществляли сами воспитанницы училища.
В 1866 г. в Малом театре был поставлен бенефис Николая Ермолова, ставшего к тому времени старшим суфлером. Для постановки он выбрал водевиль Дмитрия Ленского "Жених нарасхват" и пригласил свою дочь сыграть в нем Фаншетту. Однако роль в водевиле не принесла успеха начинающей актрисе.
В 1870 г. к постановке своего бенефиса приступила прима Малого театра Надежда Медведева. Главную роль в спектакле "Эмилия Галотти" по трагедии Готхольда Лессинга должна была сыграть актриса Гликерия Федотова, но она заболела. Медведевой предложили взять на замену 17-летнюю Марию Ермолову. После первой же пробы молодую актрису утвердили на роль. Премьера спектакля прошла 30 января 1870 г. Публика вызвала Ермолову на бис более 20 раз. Трагическая роль Эмилии позволила актрисе раскрыть свой сценический темперамент и яркий драматический талант.
После окончания в 1871 г. училища Ермолова была зачислена в труппу Малого театра. В первое время она была задействована в основном в водевилях и комедиях. Исполняла также роли из классического репертуара - Лиды в "Свадьбе Кречинского" Александра Сухово-Кобылина и Марианны в "Тартюфе" Жан-Батиста Мольера (оба спектакля - 1871).
Настоящий успех пришел к актрисе после роли Катерины в "Грозе" Александра Островского (1873), а затем Лауренсии в "Овечьем источнике" Лопе де Веги (1876). Героическая тема - призыв к борьбе, жертвование собой во имя великой цели - становится главной в творчестве Ермоловой. Исполнение актрисой роли Лауренсии (в одном из эпизодов героиня призывает к восстанию) превратило сцену в политическую трибуну. Спектакль вскоре был снят с репертуара по требованию властей.
Еще одним из самых ярких образов, созданных Марией Ермоловой на театральной сцене, стала Жанна д'Арк в "Орлеанской деве" по пьесе Фридриха Шиллера. Спектакль был поставлен после того, как Ермолова добилась снятия цензурного запрета на пьесу. Премьера прошла в 1884 г., впоследствии актриса играла эту роль на протяжении 18 лет. Постановка шла с такими аншлагами, что в 1893 г. спектакль перенесли из Малого в Большой театр.
Мария Ермолова прослужила на сцене Малого театра 37 лет, когда в 1907 г. решила оставить сцену из-за разногласий с руководством и уйти в длительный отпуск. 4 марта состоялся ее прощальный спектакль (пьеса Александра Южина-Сумбатова "Измена"). Для предотвращения возможных беспорядков в театре был выставлен отряд полиции, дирекция запретила проводить какие-либо официальные мероприятия. Однако публика устроила Ермоловой торжественные проводы, увенчав ее золотым венком. Спустя год по просьбе нового руководителя Малого театра Александра Ленского актриса вернулась на сцену.
Всего Мария Ермолова сыграла более 200 ролей, среди которых леди Анна ("Ричард III", 1878), Офелия ("Гамлет", 1878, 1891), Юдифь ("Уриэль Акоста", 1879), Эстрелья ("Звезда Севильи", 1886), Гермиона ("Зимняя сказка", 1887), Мария Стюарт, Сафо и Федра в одноименных пьесах (1886, 1892, 1890), леди Макбет ("Макбет", 1896), королева Анна ("Стакан воды", 1915) и др. В репертуаре актрисы были пьесы Александра Островского - роли Василисы Мелентьевой в одноименном спектакле (1876), Тугиной в "Последней жертве" (1877), Ларисы в "Бесприданнице" (1879), Кручининой в "Без вины виноватых" (1908) и др. Лучшей работой Ермоловой в пьесах Островского критики считают роль Негиной ("Таланты и поклонники", 1881). Эту роль актриса называла одной из любимых, она играла ее на протяжении 19 лет.
Актриса также часто выступала на концертной эстраде с чтением стихов. Она исполняла произведения Александра Пушкина, Михаила Лермонтова, Николая Некрасова, Николая Огарева и др.
По словам режиссера Владимира Немировича-Данченко, Мария Ермолова была "поэтом свободы на русской сцене", а ее талант "был богаче ролей". Известный режиссер, теоретик театра Константин Станиславский называл Ермолову "целой эпохой для русского театра".
В 1920 г. творческий вечер Марии Ермоловой в Малом театре - 50 лет работы на сцене - посетил руководитель Советской России Владимир Ленин.
В конце 1921 г. Ермолова сыграла свою последнюю роль в театре в пьесе "Холопы" Петра Гнедича. Вскоре актриса оставила сцену из-за проблем со здоровьем.
Мария Ермолова занималась со студентами студии Малого театра. В 1925 г. имя актрисы стал носить передвижной театр, созданный выпускниками студии (ныне Московский драматический театр им. М. Н. Ермоловой).
12 марта 1928 г. Мария Ермолова скончалась в Москве на 75-м году жизни. Актриса была похоронена, согласно завещанию, в подмосковном селе Владыкино рядом с родными. В 1971 г. ее прах перезахоронили на Новодевичьем кладбище. На месте первоначального захоронения установлен памятный знак.
Заслуженная артистка Императорских театров (1902).
Первой была удостоена звания народной артистки Республики (1920).
Герой Труда (1924).
Супругом Марии Ермоловой был Николай Петрович Шубинский (1853-1921), адвокат, член Государственной думы, один из создателей партии "Союз 17 октября", в 1918 г. он эмигрировал из России, скончался в Константинополе (ныне Стамбул, Турция). Дочь - Маргарита Николаевна (1876-1965, в замужестве Зеленина).
В 1983 г. был снят документальный фильм "Мария Ермолова" (режиссер Валентина Ерзова).
Имя Марии Ермоловой носит Московский драматический театр.
В 1970 г. в особняке, где жила актриса, по адресу Тверской бульвар, д. 11 была открыта ее музей-квартира, с 1986 г. - Дом-музей М. Н. Ермоловой - филиал Государственного театрального музея им. А. А. Бахрушина.
Имя Ермоловой в 1956-1993 гг. носил Большой Каретный переулок в Москве. Также оно присвоено улицам в Донецке, Казани, Нижнем Новгороде, Туле, Уфе.
В 1985 г. в честь актрисы был назван кратер на Венере, в 1993 г. - астероид (3657), открытый в 1978 г.