Marie Bäumer, geboren am 7. Mai 1969 in Düsseldorf als Tochter eines Architekten und einer Psychotherapeutin, wuchs in Hamburg auf. Nach dem Besuch des Gymnasiums absolvierte sie die Oberstufe auf einer Waldorfschule. 1992 begann sie eine Schauspielausbildung an der Scuola Teatro Dimitri in Verscio im Tessin sowie im "Studio 033" in Hamburg, von 1994 bis 1996 gefolgt von einem Studium an der Hochschule für Musik und Theater Hamburg, wo sie von Jutta Hoffmann in Schauspiel unterrichtet wurde.

1995 hatte sie nach kleineren Fernsehrollen und ersten Theaterauftritten bei den Hamburger Kammerspielen ihr vielbeachtetes Kinodebüt in Detlev Bucks Komödie "Männerpension". Schon bald wurde Marie Bäumer sowohl mit Blick auf Ihr Aussehen als auch wegen ihres großen Talents mit der jungen Romy Schneider verglichen. Auch im Horrorthriller "Sieben Monde" (1998) überzeugte Bäumer, der Durchbruch kam allerdings mit einer weiteren Komödie: In Michael "Bully" Herbigs Kassenschlager "Der Schuh des Manitu" (2001) spielte Bäumer die Barsängerin Uschi. Höchstes Kritikerlob erhielt sie zwei Jahre später für ihre Charakterrolle in Oskar Roehlers Psychodrama "Der alte Affe Angst". Als Ärztin Marie kämpft sie darin um die Liebe ihres verzweifelten Mannes Robert (André Hennicke). Für ihre subtile Darstellung wurde Marie Bäumer 2002 mit dem Bayerischen Filmpreis und dem Preis der deutschen Filmkritik ausgezeichnet.

Auch in internationalen TV-Produktionen reüssierte Bäumer, so war sie in den Miniserien "Resurrezione" (2001) und "Luisa Sanfelice" (2004) der Brüder Taviani zu sehen, außerdem in "Napoléon" (2002), in dem sie die Schwester der Titelfigur spielt.

Weitere Arbeiten fürs Fernsehen folgten mit "Wellen" (2005) unter der Regie von Vivian Naefe, "Ein toter Bruder" (2005) von Stefan Krohmer und Roland Suso Richters aufwändigem Zweiteiler "Dresden" (2006). Im Kino war sie im österreichischen Oscar-Gewinner "Die Fälscher" (2007) zu sehen, allerdings nur in einer kleinen Rolle. 2008 spielte sie erneut eine Kinohauptrolle in Nicolai Rohdes Drama "10 Sekunden". Als Frau eines Fluglotsen, die seine Schuldgefühle wegen eines Flugzeugunglücks nicht mehr ertragen kann, flüchtet sie sich in eine Affäre.

Um eine emotionale Ausnahmesituation ging es auch in Bäumers Kinohauptrolle in Sebastian Schippers "Mitte Ende August" (2009): Darin verkörperte sie eine glücklich verliebte Frau, deren Gefühle durch den Bruder ihres Freundes auf die Probe gestellt werden.

Viel Kritikerlob erhielt Bäumer für ihre Verkörperung einer Mafia-Ehefrau, die nach dem Tod ihres Mannes die "Familiengeschäfte" übernimmt, in Dominik Grafs preisgekröntem Mehrteiler "Im Angesicht des Verbrechens" (2010, TV). Ihre Darstellung der Hedda Adlon in dem TV-Dreiteiler "Das Adlon. Eine Familiensaga" (2012) brachte ihr den österreichischen Filmpreis "Romy" als "Beliebteste Schauspielerin" ein.

Im Jahr 2013 hatte Marie Bäumer Hauptrollen in gleich zwei ambitionierten Kinofilmen. In Denis Dercourts Psychodrama "Zum Geburtstag" wird sie als bürgerliche Ehefrau durch einen alten Pakt zwischen ihrem Mann und einem seiner Schulfreunde in Bedrängnis gebracht; in "Der Geschmack von Apfelkernen" spielte sie eine Frau, die mit einem tragischen Kapitel aus der Geschichte ihrer Familie konfrontiert wird.

Leichterer Stoff war die Komödie "Irre sind männlich" (2014), in der Bäumer als gewiefte Gruppentherapie-Teilnehmerin zwei Schwindler durchschaut. In dem französischen TV-Drama "Intime conviction" ("Mit innerer Überzeugung", 2014) war sie eine vermeintliche Selbstmörderin, gefolgt von einer kleineren Rolle in der ebenfalls französischen Kinoproduktion "En équilibre" ("Im Gleichgewicht", 2015). Für ihre Hauptrolle in Urs Eggers "Brief an mein Leben" (2016, TV), als Burnout-Opfer, erhielt sie beim Festival International de Programmes Audiovisuels in Biarritz (Frankreich) den Preis als Beste Darstellerin. Ebenfalls unter Eggers Regie gehörte Bäumer zum Ensemble des TV-Zweiteilers "Gotthard" (2016), über die Entstehung des gleichnamigen Tunnels.

Nach einer Hauptrolle in der Tragikomödie "Ferien vom Leben" (2017, TV) verkörperte Marie Bäumer in Emily Atefs "3 Tage in Quiberon" (DE/AT/FR 2017) eine legendäre Schauspielerin: Romy Schneider. Der Film, der auf einem kurzen Kapitel aus Schneiders Leben im Jahr 1981 basiert, wurde im Wettbewerb der Berlinale 2018 uraufgeführt. Bäumer wurde für ihre einhellig gefeierte Darstellung mit dem Deutschen Filmpreis 2018 ausgezeichnet.