Kispesten született. Édesapja, az ösztöndíjasként több évet is Rómában töltő Mészáros László szobrászművész az 1930-as évek elején kapcsolódott be az illegális munkásmozgalomba. A család 1935-ben a Szovjetunióba költözött, és Frunze (a mai Biskek) városában a kirgiz művészeti akadémia egyik alapítója lett. Apját a sztálini tisztogatások idején koncepciós perben kivégezték, anyja nem sokkal később tífuszban halt meg, az árván maradt gyerekeket 1946-os hazatérésükig a magyar kolónia vette gondjaiba.

Mészáros Márta a moszkvai filmfőiskolát végezte el (gyermekként első filmélménye A dzsungel könyve volt), ezután itthon és Bukarestben rendezett híradókat és riportfilmeket. 1958-ban feleségül ment a rendező Jancsó Miklóshoz, és a Mafilm rövidfilmrendezője lett. Készített népszerű tudományos és oktató filmet, képzőművészeti kisfilmet (Vásárhelyi színek, Tornyai János, Festők városa, Borsos Miklós).

Mészáros Márta (forrás: MNF)

Első játékfilmjét 1968-ban forgatta Eltávozott nap címmel, az állami gondozásban felnőtt, a maga sorsát határozottan irányító fiatal nő szerepét Kovács Kati énekesnőre bízta. További filmjeiben (Holdudvar; Szép lányok, ne sírjatok!) is a nők döntéshelyzetei és magatartásformái foglalkoztatták. Tabukat döntögető témái, szemléletmódja itthon nem mindig talált elismerésre, ugyanakkor külföldön a feminista mozgalmak követői hivatkoztak rá. A témához az 1993-as A magzattal tért vissza, amelyben egy kétgyermekes anyát állít válasz elé újabb terhessége. Az 1998-as A szerencse lányai egy Lengyelországban szerencsét próbáló, végül prostituálttá váló orosz asszony drámája.

Az egy intézeti kislány és egy negyvenéves nő egymásra találásáról szóló Örökbefogadásért (1975) a Berlini Filmfesztivál történetében első női rendezőként kapta meg az Arany Medve-díjat. Következő filmjéért, az emberi kapcsolatokat újszerűen ábrázoló Kilenc hónapért az 1977-es cannes-i filmfesztiválon elnyerte a filmkritikusok díját (FIPRESCI). Az Ők ketten című alkotása (1977) az egyetlen film, amelyben együtt szerepelt a francia Marina Vlady és férje, a legendás orosz színész-énekes Vlagyimir Viszockij.

Örökbefogadás plakát (forrás: NFI/Sós László, Kemény Éva)

1982-ben született az önéletrajzi ihletésű, a rendezőnőről mintázott Julcsi sorsát és eszmélését nyomon követő Napló-sorozat első része, a Napló gyermekeimnek. Ezt követte 1987-ben a Napló szerelmeimnek, 1990-ben a Napló apámnak, anyámnak, 1999-ben a Kisvilma - Az első rész az 1945-ben hazatérő család megpróbáltatásairól, a kamaszlány ébredő ösztöneiről szól. A második részben Julcsi Moszkvába kerül, filmrendező lesz és apja nyomát kutatja, a harmadik részben a forradalom végén hazatérve döbben rá a hazai valóságra. A trilógia előzményeiről szóló utolsó rész Kirgizisztánban játszódik, ahol a rendezőnő gyermekkorát töltötte. A politikailag kényes téma miatt az első rész időlegesen dobozba került, bemutatásához néhány eredeti híradófelvételt ki kellett cserélni és meg kellett vágni. A Napló gyermekeimnek Cannes-ban a zsűri Nagydíját nyerte el, a Napló szerelmeimnek pedig Berlinben Ezüst Medvét kapott.

A rendező több filmjében választotta központi szereplőnek a közelmúlt történelmének nagy formátumú alakjait: A hetedik szobában Edith Stein, a zsidókkal sorsközösséget vállaló mártír apáca, A temetetlen halott az 1956-os forradalom mártír miniszterelnöke, Nagy Imre életét dolgozta fel. 2009-ben a szociáldemokrata politikus Kéthly Annáról forgatott filmet Utolsó jelentés Annáról címmel.

Napló gyermekeimnek (forrás: NFI/Mertz Loránd)

2001-ben Bartók A csodálatos mandarinjából készített táncfilmet. Több alkalommal is színpadra állította - nem csak Magyarországon - Pataki Éva darabját, amely Edith Piaf és Marlene Dietrich életét és kapcsolatát mutatja be, 2010-ben a Fellini Cabiria éjszakái című filmjéből készült darabot rendezte a Karinthy Színházban.

Legutóbbi mozifilmjét, amelyben Törőcsik Mari egyik utolsó alakítását nyújtotta, Aurora Borealis - Északi fény címmel 2017-ben mutatták be, és azonos címmel a film készítésének folyamatát felidéző beszélgetőkönyv is megjelent. Mészáros Márta a témát ezúttal is a múlt századi történelemből merítette, művét a második világháború után szovjet katonák és osztrák nők kapcsolatából született gyermekek, az identitásválsággal küszködő "apátlan nemzedék" ihlették. Tervei között szerepelt, hogy filmre vigye Erzsébet királyné, azaz Sissi, valamint Marie Curie életét, illetve hogy két pályatársnőjéről, a lengyel Wanda Jakubowskáról és a német Leni Riefenstahlról rendezzen filmet.

Mészáros Márta filmrendező Aurora Borealis - Északi fény című filmjének forgatásán (forrás: MTI Fotó: Kallos Bea)

Művészete elismeréseként 1977-ben Balázs Béla-díjat kapott, 1985-ben érdemes művész lett, 1990-ben Kossuth-díjjal, 2004-ben a Magyar Mozgókép Mestere címmel tüntették ki. 2005-ben megkapta a Magyar Köztársasági Érdemrend középkeresztje (polgári tagozat) kitüntetést, két évvel később a Nagy Imre-érdemrendet, 2011-ben a Magyar Filmkritikusok Életműdíját, 2013-ban Prima-díjas lett. Az elmúlt évtizedben több nemzetközi filmfesztiválon ismerték el életművét, a többi közt megkapta a Berlinale Kamera-díját. 2017-ben az Oscar-díjakról döntő amerikai filmakadémia tagja lett, a Német Művészeti Akadémia Konrad Wolf-díjával, 2018-ban itthon Hazám-díjjal tüntették ki. Két éve a Berlinalén az Örökbefogadás, idén Cannes-ban pedig a Napló gyermekeimnek című filmjének felújított változatát mutatták be.
Mészáros Márta több évtizedig élt Budapest és Krakkó között ingázva Jan Nowicki lengyel színész, filmjei főszereplője társaként. Gyermekeivel és unokájával több filmben dolgozott együtt.