وی نخستین دختری بود که به تیم المپیاد ریاضی ایران راه یافت و نخستین دختری بود که در المپیاد ریاضی ایران طلا گرفت. میرزاخانی سپس در سال ۱۹۹۹ کارشناسی خود را در رشته ریاضی از دانشگاه شریف و دکترای خود را در سال ۲۰۰۴ از دانشگاه هاروارد به سرپرستی کورتیس مک‌مولن از برندگان مدال فیلدز گرفت.

وی به عنوان یکی از 10 ذهن جوان برگزیده سال ۲۰۰۵ از سوی نشریه پاپیولار ساینس در آمریکا و به عنوان «ذهن برتر» در رشته ریاضیات تجلیل شد.

میرزاخانی برنده جوایزی چون جایزه «ستر» از انجمن ریاضی آمریکا در سال ۲۰۱۳، جایزه کلی و مدال فیلدز در سال ۲۰۱۴ است. وی از یازدهم شهریور ماه ۱۳۸۷ (اول سپتامبر ۲۰۰۸) در دانشگاه استنفورد استاد دانشگاه و پژوهشگر رشتهٔ ریاضیات بوده و پیش از آن نیز به عنوان استاد دانشگاه پرینستون مشغول به فعالیت بوده است.

وی در اسفندماه ۱۳۷۶ در بیست و دومین دوره مسابقات ریاضی دانشجویی که در آن تیمی متشکل از میرزاخانی، ایمان افتخاری و حسین نمازی حضور داشتند، رتبه اول کشور را کسب کرد. اتوبوس حامل این تیم که از اهواز راهی تهران بود، به دره سقوط کرد و 6 نفر از دانشجویان نخبه ریاضی دانشگاه صنعتی شریف شامل آرمان بهرامیان، رضا صادقی - برندهٔ دو مدال طلای المپیاد جهانی - علیرضا سایه‌بان، علی حیدری، فرید کابلی، دکتر مجتبی مهرآبادی و مرتضی رضایی دانشجوی دانشگاه تهران جان باختند و مریم میرزاخانی از جمله دانشجویان بازمانده از این سانحه بود.

این نابغه ریاضی ایران پس از چهار سال مبارزه با بیماری سرطان سینه در بیست‌وسوم تیر ماه 1396 دار فانی را وداع گفت.