Η Μαρία Θέμελη γεννήθηκε και μεγάλωσε στην Πάτρα. Αποφοίτησε πρώτη από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Πατρών και στη συνέχεια εκπόνησε διδακτορική διατριβή στον τομέα της μεταμόσχευσης αιμοποιητικών κυττάρων, με επιβλέποντα τον καθηγητή Αλέξανδρο Σπυριδωνίδη.
Αργότερα, μετακόμισε για μεταδιδακτορική εκπαίδευση στο Κέντρο Καρκίνου Memorial Sloan Kettering στη Νέα Υόρκη για να εργαστεί στο εργαστήριο του Dr. Michel Sadelain.
Στο εργαστήριό του εκπαιδευτηκε σε βάθος στον σχεδιασμό, την ανάπτυξη, την κατασκευή και τις κλινικές εφαρμογές της ανοσοθεραπειας με λεμφοκύτταρα, των λεγομένων κυττάρων CAR-T. Η δουλειά της οδήγησε σε ανακαλύψεις υψηλού αντίκτυπου στον τομέα της ανοσοθεραπείας με κύτταρα CAR-T. Περιέγραψε για πρώτη φορά τη χρήση των πολυδύναμων βλαστικών κύτταρων ως πηγή για τη δημιουργία στο εργαστήριο κυττάρων CAR-T με αντικαρκινική δράση. Η μέθοδος αυτή έχει κατοχυρωθεί με πατέντα.
Για την έρευνα της έχει λάβει πολλές διακρίσεις όπως η υποτροφία Druckenmiller από το New York Stem Cell Foundation Το 2015 έλαβε μια υποτροφία Marie Curie από την Ευρωπαϊκή Ένωση και επέστρεψε στην Ευρώπη, στο τμήμα αιματολογίας στο VUmc Cancer Center του Άμστερνταμ, όπου πήρε πρόσφατα θέση επίκουρου καθηγητή. Στην ομάδα VUmc η ομάδα της έχει αναπτύξει και προκλητικά αξιολόγησει τη χρήση των CAR-T για τη θεραπεία του πολλαπλού μυελώματος. Συνεχίζει επίσης να βελτιώνει τη χρήση των πολυδύναμων κυττάρων ως απεριόριστη πηγή θεραπευτικών κυττάρων CAR-T με στόχο την ευρύτερη εφαρμογή, προσβασιμότητα και αποτελεσματικότητα της μεθόδου.
