Fille d’une actrice et adoptée par un aristocrate polonais à l’âge de 2 ans, Marevna passe une grande partie de sa jeunesse dans le Caucase, en contact avec la culture byzantine. À 18 ans, elle s’installe seule à Moscou, où elle fréquente l’école des arts décoratifs Stroganov et l’Académie libre. Après un séjour à Rome et à Capri, au cours duquel Maxime Gorki lui trouve son pseudonyme, elle arrive à Paris en 1912, découvre l’académie Colarossi, et surtout l’Académie russe où elle travaille le nu. Comme tous les artistes exilés, elle fait des copies au Louvre, visite les galeries, les musées ; elle voyage régulièrement. Après le décès de son père en 1914, elle doit subvenir à ses propres besoins ; elle illustre un recueil de poèmes d’Ilya Ehrenbourg et commence à exposer dans les Salons des Tuileries, des indépendants, d’automne : son travail cubiste intéresse les galeristes Léonce Rosenberg et Gustave Kahn. Avec une grande liberté d’esprit, elle passe, de 1920 à 1943, d’un cubisme synthétique à une forme colorée de néo-impressionnisme, sorte de réflexion sur les sources du cubisme. Si elle travaille les paysages et la nature morte, la figure, l’être humain, est au centre de sa production. De sa relation amoureuse avec le peintre Diego Riviera avant son départ pour le Mexique naît, en 1919, une fille. Cette situation va l’obliger à travailler davantage dans la décoration pour assurer des gains suffisants. Elle conçoit notamment des tissus inspirés de sujets géorgiens pour Paul Poiret.

En 1936, elle bénéficie d’une exposition personnelle à la galerie Zborowski. Pendant la guerre, elle se cache dans le sud de la France, puis s’établit en 1949 en Angleterre, près de sa fille. C’est probablement à cette époque qu’elle rédige son livre de souvenirs, dans lequel elle dénonce les difficultés spécifiques des artistes femmes. Dans les années 1960, elle revient sur le continent, exécute des toiles où elle réunit les portraits de tous ses vieux amis (Hommage aux amis de Montparnasse, 1962), reprenant ainsi, sous une forme différente, ses différents tableaux réalisés autour de 1920. Elle expose, entre autres, à Londres en 1951, à Paris en 1953. En 1971, une rétrospective de son œuvre a lieu au Petit Palais de Genève, puis, un an après sa mort, une seconde se déroule au musée Bourdelle à Paris.