Fille de l'homme politique Santiago Casarès Quiroga, elle quitte son pays pour Paris en 1936. Après un baccalauréat littéraire, Maria Casarès suit les cours de diction de René Simon. Elle suivra ensuite ceux de Béatrix Dussane au Conservatoire d'où elle sortira avec un premier accessit de tragédie et un second prix de comédie. Elle fait ses débuts sur les planches du Théâtre des Mathurins en 1942.
Maria Casarès débute au cinéma en 1943 dans Les Enfants du paradis de Marcel Carné. Elle y incarne une jeune fille timide et amoureuse du personnage de Jean-Louis Barrault. Elle sera également remarquée pour sa composition de femme humiliée et vengeresse dans Les Dames du bois de Boulogne (1944) de Robert Bresson. En 1948, dans La Chartreuse de Parme de Christian-Jaque, elle est la gracieuse duchesse Sanseverina, amoureuse de son neveu Fabrice. Par la suite, son air ténébreux et sa voix rauque l'amèneront à jouer des femmes fortes et secrètes, comme dans Orphée (1949) et Le Testament d'Orphée (1959) de Jean Cocteau. Princesse des Ténèbres amoureuse d'Orphée, elle y personnifie la Mort, contribuant ainsi à son mythe de grande tragédienne. Après ce rôle, elle se consacrera exclusivement à sa carrière théâtrale et restera absente des écrans jusqu'en 1973, où elle réapparaît dans Flavia, la monca musulmana de Gianfranco Mingozzi. Mais d'une façon générale, c'est le théâtre tragique qui restera son domaine de prédilection. Trop indépendante pour se plier aux exigences du cinéma moderne, elle n'aura pas de rôle à la mesure de son talent après 1960. Malgré une apparition dans La Lectrice (1988) de Michel Deville qui lui vaudra d'être nominée pour le César du meilleur second rôle, sa carrière cinématographique restera en arrière plan.
Maria Casarès est pensionnaire de la Comédie Française de 1952 à 1954, puis membre du Théâtre National de Paris de 1954 à 1959. Elle tourne dans un très grand nombre de pièces parmi lesquelles on peut compter Deirdre des douleurs, Les Frères Karamazov, Les Justes, Le Diable et le bon Dieu, Six personnages en quête d'auteur, Don Juan, Mithridate, Macbeth, Le Cid, Phèdre, Le Songe d'une nuit d'été, Hamlet, Bajazet, Britannicus et Hécube.
Elle interprète pour la télévision Macbeth (1959) et Hamlet (1960), tous deux réalisés par Claude Barma.
Au cours de l'année 1980, elle se retire des planches pour écrire son autobiographie Résidence privilégiée.
Courts métrages 1942 | Etoiles de demain | René Guy-Grand |
| 1949 | Guernica | Alain Resnais, Robert Hessens |
| 1952 | Coeur d'amour épris | Jean Aurel |
| 1954 | Mystère de la Licorne (Le) | Jean-Claude Sée, Arcady |
| 1955 | Varsovie quand même | Yannick Bellon |
| 1956 | Théâtre National Populaire (Le) | Georges Franju |
| 1961 | Satan mon prochain | Francis Lacassin, Raymond Bellour |
| 1963 | Hieronymus Bosch | François Weyergans |
| 1967 | D'amour et de pierre | Jean-Marie Isnard |
| 1986 | Interprètes de Bresson = Interprètes des films de Robert Bresson | Michèle Brujaille |
Longs métrages| 1943 | Enfants du paradis (Les) | Marcel Carné |
| 1944 | Dames du Bois de Boulogne (Les) | Robert Bresson |
| 1945 | Roger la Honte | André Cayatte |
| 1946 | Amour autour de la maison (L') | Pierre de Herain |
| 1946 | Revanche de Roger la Honte (La) | André Cayatte |
| 1946 | Septième porte (La) | André Zwobada |
| 1947 | Chartreuse de Parme (La) | Christian-Jaque |
| 1948 | Bagarres | Henri Calef |
| 1949 | Homme qui revient de loin (L') | Jean Castanier |
| 1949 | Orphée | Jean Cocteau |
| 1950 | Ombre et lumière | Henri Calef |
| 1951 | Vie de Jésus (La) | Yves Gibeau |
| 1959 | Testament d'Orphée ou Ne me demandez pas pourquoi (Le) | Jean Cocteau |
| 1972 | Deux mémoires (Les) | Jorge Semprún |
| 1973 | Flavia, la monaca musulmana Flavia la défroquée | Gianfranco Mingozzi |
| 1975 | Adieu nu (L') | Jean-Henri Meunier |
| 1984 | Blanche et Marie | Jacques Renard |
| 1987 | De sable et de sang | Jeanne Labrune |
| 1988 | Lectrice (La) | Michel Deville |
| 1989 | Chevaliers de la Table Ronde (Les) | Denis Llorca |
| 1989 | Monte bajo | Julian Esteban Rivera |
| 1995 | Someone Else's America L'Amérique des autres | Goran Paskaljevic |