Inscrite en 1903 à l’Académie des beaux-arts de Saint-Pétersbourg, Marie Vassilieff se passionne pour l’art du loubok, l’imagerie populaire russe, pour l’art byzantin et pour la Renaissance italienne. Une bourse de la tsarine lui permet de s’installer à Paris, où elle suit les cours de l’École des beaux-arts, tout en étudiant la peinture auprès d’Henri Matisse qu’elle contribue à faire connaître en Russie. Dès 1910, elle expose régulièrement au Salon d’automne et au Salon des indépendants. Durant la même année, elle fonde l’Académie russe de peinture et de sculpture, dont elle prend la direction. À la suite de dissensions, elle démissionne et ouvre l’académie Vassilieff, avenue du Maine, qui devient rapidement un haut lieu de la vie parisienne à Montparnasse et qui se distingue par son fonctionnement très libre. Lorsque la Première Guerre mondiale éclate, touchée par le dénuement moral et matériel de ses amis artistes, elle transforme son atelier en une cantine, qui jouit d’une popularité croissante auprès des intellectuels parisiens tels que Georges Braque, Pablo Picasso, Amadeo Modigliani, Chaïm Soutine. Le lieu accueille des spectacles, des conférences, des soirées littéraires et musicales, ainsi que des fêtes mythiques. M. Vassilieff produit des œuvres d’inspiration cézannienne et de style cubiste. Dès les années 1920, son travail évolue vers un certain primitivisme, aux formes arrondies et aux couleurs adoucies. Elle privilégie alors les thèmes de l’enfance, tout en rendant hommage à l’art du loubok.

Elle s’intéresse aussi à l’art scénique et au design, et conçoit un mobilier anthropomorphe pour l’Exposition internationale des arts décoratifs et industriels modernes de 1925. Durant les années suivantes, elle crée des poupées, des masques, des costumes, des meubles, ainsi que deux panneaux décoratifs pour les piliers de la salle à manger de la Coupole. En 1937, la comédienne Louise Lara, directrice du laboratoire de recherche théâtrale Art et Action, fait appel à elle dans le cadre de ses expérimentations « synesthésiques » pour sa mise en scène d’Une saison en enfer de Rimbaud. En 1938, elle s’installe à Cagnes-sur-Mer, où elle peint des bouquets de fleurs assortis de détails fantastiques.
En 1998, plus de trente ans après sa mort, le musée du Montparnasse est inauguré dans l’ancienne académie Vassilieff et reste ouvert jusqu’en 2013. Par la suite, la Villa Vassilieff héberge le centre d’art Bétonsalon de 2015 à 2020 et, depuis 2021, le centre de documentation et les locaux d’AWARE : Archives of Women Artists, Research and Exhibitions.