Enfant naturelle, elle est élevée à Paris par sa mère, Pauline Mélanie Laurencin, couturière, et suit les cours du lycée Lamartine. Elle prend quelques leçons de peinture sur porcelaine à Sèvres et de fleurs auprès de Madeleine Lemaire, avant d'entrer à l'Académie Humbert où elle rencontre Georges Braque. Encouragée par Henri-Pierre Roché, elle participe en 1907 pour la première fois au salon des Indépendants. Cette même année Picasso lui fait connaître Guillaume Apollinaire. Au Bateau-Lavoir, elle fréquente alors André Salmon,Max Jacob, le douanier Rousseau. Sa liaison avec « Guillaume le mal-aimé », aussi passionnée que tumultueuse, dure jusqu'en 1912. Il lui dédie de nombreux poèmes, tandis qu'il lui inspire l'une de ses toiles majeures Apollinaire et ses amis (1912), parmi lesquels on reconnaît Picasso et Gertrude Stein. Parallèlement, elle s'initie à la gravure auprès de Jean-Émile Laboureur. Sa première manière, ditecubiste, est à juste titre considérée comme la plus exigeante. Laurencin a en effet pleinement participé de cette période hautement fertile de la modernité.
En juin 1914, elle épouse le baron Otto von Wätjen, rencontré à Montparnasse l'année précédente. Le couple doit s'exiler en Espagne dès la déclaration de guerre, d'abord à Madrid, puis à Malaga et Barcelone. Elle reçoit alors un grand soutien de sa tendre amie Nicole Groult, la femme d'André Groult et la sœur de Paul Poiret, qui la réconforte par ses voyages et une correspondance suivie pendant son lourd exil. Marie écrit alors ses premiers poèmes, réunis plus tard dans Le Carnet des Nuits. Arthur Cravan dans le quatrième numéro de sa revue Maintenant, se moque alors de Marie Laurencin dans un article resté célèbre pour sa virulence envers les artistes en général. Elle retrouve à Madrid Sonia et Robert Delaunay, grâce à Francis Picabia, pour lequel elle compose des poèmes pour sa revue dada 291 en 1917.
En 1920, elle revient à Paris, divorce et entame, avec détermination et indépendance, une brillante carrière de « femme-peintre ». Paul Rosenberg sera désormais son marchand. Elle noue des liens profonds et féconds avec de nombreux poètes et écrivains dont elle illustre les œuvres : André Gide, Paul Morand, Jacques de Lacretelle, Max Jacob, Saint-John Perse, Marcel Jouhandeau, Jean Cocteau, Jean Paulhan, Somerset Maugham et tant d'autres, tandis qu'elle se détache volontairement de la communauté des peintres.
Portraitiste adulée d'un certain milieu mondain qui fréquente Le Bœuf sur le toit, Coco Chanel, la baronne Gourgaud, Paul Guillaume, Helena Rubinstein, Marie Laurencin s'illustre également comme décoratrice de ballets et de théâtre auprès de mécènes : Les Roses d'Henri Sauguet pour Les Soirées de Paris d'Étienne de Beaumont, les Ballets russes pourSerge de Diaghilev avec Les Biches, la Comédie-Française pour la jeune Madeleine Renault, les ballets du précoce Roland Petit au Théâtre des Champs-Elysées.
Sa présence au salon de l'Ambassadrice à l'Exposition des arts décoratifs de 1925 est très applaudie. L'inspiration laurencine se traduit alors par une peinture de chevalet toujours féminine, à la facture délicate nourrie d'une palette plus suave, selon une simplification croissante de la composition et des formes. Privilégiant la pose gracieuse de ses modèles, elle les pare selon sa fantaisie de plumes ou de perles. Elle participe ainsi de l'art de vivre du Tout-Paris des Années folles. Après la crise économique de 1929, elle s'associe avec Laboureur pour enseigner à l'Académie du XVIe.
Au soir de sa vie, après la guerre, sa vue faiblit et sa renommée s'estompe. Elle illustre l'étiquette du château Mouton Rothschild de 1948. Par testament, elle laisse ses biens à sa fille adoptive, Suzanne Moreau-Laurencin, et choisit pour ayant droit la Fondation des orphelins d'Auteuil.
Marie Laurencin décède le 8 juin 1956 à Paris et est inhumée au Père-Lachaise (88ème division) dans une robe blanche, tenant une rose dans une main et dans l’autre, une lettre d’amour de Guillaume Apollinaire dont la dépouille repose à quelques pas de là (86ème division).