Гимбутас родилась 23 января 1923 г. в Вильнюсе в семье известного врача, общественного деятеля и собирателя фольклора Даниэлиуса Алсейки. Мать Марии, Вероника, стала первой литовской женщиной, получившей диплом врача. Дом родителей Марии был культурным центром, в котором еженедельно собирались крупнейшие деятели литовской культуры. С шести лет девочку стали обучать в школе по методике К. Монтессори. К поступлению в гимназию Мария изучила немецкий и польский языки, освоила игру на фортепиано. Полученные знания и приобретенные навыки пригодятся ей в дальнейшем как в научной работе, так и при воспитании собственных детей.
В начале 1931 г. семье пришлось переехать в Каунас, поскольку Вильнюс оказался на территории, вошедшей в состав Польши. Отец Марии остался в столице и продолжал борьбу против польской оккупации. Чтобы видеться с семьей, ему приходилось пересекать границу верхом или в товарных вагонах. Во время одного из таких переездов он простудился и вскоре умер от воспаления легких.
Еще во время учебы в гимназии, летом 1937 г., Мария впервые выезжает в этнографическую экспедицию на северо-запад Литвы. Одновременно с учебой она продолжает заниматься музыкой и даже выступает на вечерах.
С отличием закончив гимназию, Мария становится студенткой филологического факультета Каунасского университета. После окончания первого курса начинается Вторая мировая война, Германия оккупирует Польшу. Литовская территория воссоединяется, и Мария вместе с родными возвращается в Вильнюс. Мария переходит в Вильнюсский университет и продолжает учебу уже как фольклорист. В свободное время она записывает фольклор от беженцев из Белоруссии. «Всюду – и в университете, и на улицах – царил дух ожидания перемен», – позже писала она.
Однако летом 1940 г., в соответствии с пактом Молотова – Риббентропа, в Литву входит Красная армия и вскоре организуется Литовская ССР. Дом семьи Алсейка вновь становится центром сопротивления. Университет закрывают, начинаются аресты и депортация населения. Почти все родные Марии бесследно исчезают. Чтобы избежать ареста, Мария вынуждена скрываться на хуторе у знакомых, а затем тайно пробирается в Каунас. Там она готовит дипломную работу о древних погребальных обрядах. Именно в это время она знакомится с Юргисом Гимбутасом, который вскоре становится ее мужем.
После нападения Германии на СССР в Литву входят немецкие войска. Снова начинает работать университет, и Мария продолжает учебу. В июне 1942 г. она блестяще защищает дипломную работу по археологии, и ее оставляют в университете для подготовки докторской диссертации. В конце 1943 г. у Марии рождается дочь Данута.
Весной 1944 г. в Литву вновь приходят советские войска. Опасаясь ареста, Мария решает бежать. Оставив в Вильнюсе мать и сестер, она вместе с мужем и маленькой дочерью переправляется на плоту через Неман и оказывается в Польше. Вместе с другими беженцами семья Гимбутас добирается до Австрии. После скитаний по разным городам им удается получить работу на фабрике в Инсбруке. Но вскоре завод разбомбили англичане, и Гимбутасы были вынуждены укрыться на небольшой горной ферме. Несколько месяцев они прожили там, помогая хозяевам и надеясь, что после войны смогут получить работу. Но в Австрию пришла Красная армия, и Гимбутасам снова пришлось бежать. Перейдя границу, они перебираются в Германию. Вначале муж Марии работает на ферме у знакомых, но вскоре семья перебирается в Тюбинген, где Мария начинает работать в университете.
Спустя год она благополучно защищает диссертацию и получает степень доктора археологии. В Тюбингене выходит ее первая книга о типах славянских погребений. 21 марта 1947 г. у Марии появляется вторая дочь Зевиле, но вскоре вся семья эмигрирует в США, поскольку Мария получает приглашение из Гарвардского университета.
В США она начинает работать приглашенным лектором и одновременно переводит научную литературу с разных славянских языков, пишет тексты лекций по древнейшей истории Европы. Одновременно с преподаванием она становится сотрудником антропологического отдела музея Пибоди. Наконец восстанавливается связь с живущими в Литве матерью и младшими сестрами. Они присылают Марии оставшиеся там рисунки и материалы. Позже Мария писала, что именно поддержка семьи помогла ей выстоять в первые годы жизни в США. В 1954 г. у нее рождается третья дочь Раса.
Перелом наступил в 1956 г., когда Мария опубликовала работу «Предыстория Восточной Европы. Часть I. Культуры мезолита, неолита и бронзового века в России и Балтии», в которой предложила использовать классификацию типов курганов для определения границ зоны расселения славян. Тогда к ней приходит заслуженное признание.
Позже эту работу сравнят по значению с трудом Ф. Шампольона, расшифровавшего египетские иероглифы. Мария получает четырехлетнюю стипендию от Национального научного фонда для продолжения работы. Спустя два года, весной 1958 г., выходит ее книга «Предыстория Восточной Европы», в которой она представила полную разработку маршрутов славянских миграций в Европе. Практически одновременно выходит ее работа «Древнейшие символы в литовском народном искусстве», где она показала наличие индоевропейского субстрата