Va nàixer a San Millán de la Cogolla, on el seu pare treballava com a metge rural, però prompte, en 1880, la família es va traslladar a Madrid. El primer ensenyament el va rebre a casa, de mans de la seua mare, dona formada en la cultura francesa que, com el seu pare, era amant de la lectura.
Maria va cursar estudis de Magisteri i Professorat de Comerç en l'Associació per a l'Ensenyament de la Dona, on es va familiaritzar amb els principis liberals de la Institució Lliure d'Ensenyament. Va guanyar la seua plaça de mestra per oposició i va exercir aquesta professió durant una dècada, fins a 1909.
En 1905 va obtindre una beca per a estudiar el funcionament pedagògic dels centres docents europeus. Va passar llavors una estada llarga a Bèlgica, que va influir molt en la seua formació com a mestra i en el seu acostament a la ideologia socialista. Un dels seus primers llibres va estar vinculat a la seua vocació docent: 'Lectures recreatives per a xiquets' (1899), que inaugurava la col·lecció Biblioteca Educativa que ella mateixa havia creat a l'Escola Model de Madrid.
En 1897 María va estrényer la seua relació d'amistat amb Gregorio Martínez Sierra. La seua comuna afició per la literatura i el teatre va convertir en inseparables als dos joves, que van iniciar llavors una col·laboració literària intensa, que va aparéixer, no obstant això, sota la signatura d'ell; un fet que no és difícil relacionar amb l'escassa estima que es prestava en l'època a qualsevol manifestació de la creativitat femenina. Tots dos van contraure matrimoni en 1900.
A partir de llavors, l'obra creadora dels dos va avançar en paral·lel, formant la raó social “Gregorio Martínez Sierra” dedicada, en diferents graus i temps, als més diversos camps artístics: la literatura dramàtica (amb diverses obres representades amb èxit en el teatre espanyol de preguerra i traduïdes a l'estranger); l'empresa teatral (el Teatre d'Art i la Companyia còmic-dramàtica Gregorio Martínez Sierra, en el marc de la gestió del teatre Eslava, de Madrid); el conte i la novel·la; els assajos, articles i conferències feministes; l'empresa editorial (Estrella, Renaixement i la revista Helios); els guions i la producció cinematogràfica, etc.
Són diversos els crítics que s'han ocupat d'intentar dilucidar en quina mesura sota la signatura de Gregorio Martínez Sierra es trobava oculta l'autoria exclusiva de María o si responia, com s'ha dit, a un treball de col·laboració que va evolucionar al llarg dels anys i que va incloure alternativament altres aportacions d'insignes creadors de preguerra (José María de Usandizaga, Manuel de Falla, Joaquín Turina, María Rodrigo o Conrado del Camp).
María de l'O Lejárraga va tindre a més un rellevant protagonisme en la vida pública espanyola en el període d'entreguerres. Va treballar activament com a promotora de l'associacionisme feminista espanyol que es va desenvolupar a Espanya a partir de la Primera Guerra Mundial.
Va ser nomenada com a secretària espanyola de l'Aliança Internacional del Sufragi de la Dona (IWSA). Va desenvolupar una intensa activitat com a directora de la Unió de Dones Espanyoles (UME), fundada en 1918 amb la marquesa del Ter. La UME es va mantindre activa només un parell d'anys, però prompte va cristal·litzar en un nou esforç organitzatiu liderat per María, l'Associació Femenina d'Educació Cívica (AFEC), en 1931, en el qual va comptar amb el suport fundacional de María Rodrigo i de Pura Maórtua de Ucelay.
Cal destacar, a més a més, la seua labor com a sòcia promotora del Lyceum Club Femení, de Madrid, sota la direcció de María de Maeztu, des de 1926. Va presidir també el Patronat per a la Protecció de la Dona, que s'ocupava del problema del tràfic de blanques, a través de la Societat Espanyola d'Abolicionisme.
Les seues conviccions feministes van tindre directa expressió en un rellevant corpus d'articles (Blanco i Negre, 1915-1916 i 1932) i assajos sobre la “qüestió femenina” (Blanco, 2003), que van aparéixer també sota el nom de Gregorio Martínez Sierra: Cartes a les dones d'Espanya (1916), Feminisme, feminitat, espanyolisme (1917), La dona moderna (1920), Noves cartes a les dones (1932) i Cartes a les dones d'Amèrica (1941). Només va aparéixer amb la seua signatura un sisé títol, que recollia les conferències impartides prèviament per ella en l'Ateneu de Madrid: La dona espanyola davant la República (1931).
Paral·lelament, la seua proximitat ideològica amb el socialisme la va conduir, amb l'arribada de la Segona República, a afiliar-se al Partit Socialista Obrer Espanyol (PSOE), i es va comprometre llavors a fer campanya per a les primeres eleccions generals, sent una de les primeres diputades de les Corts Espanyoles (triada per Granada en 1933). Un any després va abandonar el seu escó en protesta per la dura repressió exercida per les forces governamentals en la Revolució d'Astúries.
Va col·laborar en l'organització del Comité Pro-presos del PSOE, la Unió General de Treballadors (UGT) i les Joventuts Socialistes, per a organitzar la solidaritat amb els presos asturians, i va participar també en el Comité Nacional de Dones contra la Guerra i el Feixisme, presidit per Dolores Ibárruri.
Va tornar a fer campanya electoral amb el Front Popular en 1936. Després del començament de la Guerra Civil Espanyola, va ser nomenada per la República agregada comercial del Ministeri d'Agricultura, Indústria i Comerç a Suïssa. En 1938 va ser encarregada pel Govern republicà per a organitzar l'acolliment dels xiquets espanyols evacuats a Bèlgica.
El seu llarg exili com a membre representatiu de l'Espanya vençuda va continuar a Niça (França), on va residir fins a la seua marxa definitiva a Amèrica en 1950, una vegada perduda tota esperança de poder tornar al seu país. Va viatjar pels Estats Units i Mèxic, abans d'assentar-se a l'Argentina, en 1953, on va viure de l'escriptura de contes i articles per a la premsa, així com del seu treball com a traductora (Jean Anouilh, Eugène Ionesco, Thornton Wilder, etc.).
Les seues experiències vitals (literàries i polítiques) apareixen plasmades en dos llibres autobiogràfics publicats en l'exili americà: Una dona per camins d'Espanya (1952) i Gregorio i jo. Mig segle de col·laboració (1953). Va morir en 1974, amb quasi cent anys d'edat.