مریم میرزاخانی در سال‌های ۱۳۷۳ و ۱۳۷۴ (سال سوم و چهارم دبیرستان) از دبیرستان فرزانگان تهران موفق به کسب مدال طلای المپیاد ریاضی کشوری شد و بعد از آن در سال ۱۹۹۴ در المپیاد جهانی ریاضی هنگ کنگ با امتیاز ۴۱ از ۴۲ مدال طلای جهانی گرفت. سال بعد، در المپیاد جهانی ریاضی کانادا میرزاخانی با نمرهٔ کامل، رتبهٔ اول طلای جهانی را به دست آورد.
مریم میرزاخانی به همراه رؤیا بهشتی اولین دخترانی بودند که به تیم المپیاد ریاضی ایران راه یافتند. مریم اولین دختری بود که در المپیاد ریاضی ایران طلا گرفت. وی اولین کسی بود که دو سال مدال طلا گرفت و اولین دانش‌آموز شرکت‌کننده از ایران بود که در آزمون المپیاد ریاضی نمره کامل گرفت.
میرزاخانی دورهٔ کارشناسی را در دانشگاه صنعتی شریف طی کرد. در این دوره، میرزاخانی اثبات ساده‌ای برای قضیهٔ شُر یافت که در ماه‌نامهٔ انجمن ریاضی آمریکا چاپ شد. مریم سپس به دانشگاه هاروارد رفت و آنجا بر سر کلاس‌های کورتیس مک‌مولن (از برندگان جایزه فیلدز) حاضر می‌شد. مک‌مولن او را در این دوران این‌طور به یاد می‌آورد که بر سر کلاس‌هایش سوال‌های زیادی می‌پرسید و با عجله به فارسی یادداشت برمی‌داشت. او سرانجام در سال ۲۰۰۴ از دانشگاه هاروارد و به سرپرستی مک‌مولن دکترا گرفت.
بعد از اخذ دکترا، میرزاخانی با عنوان استادیار در دانشگاه پرینستون به تدریس مشغول شد. یک سال بعد در سال ۲۰۰۵ نشریه پاپیولار ساینس آمریکا او را به عنوان یکی از ۱۰ ذهنِ جوان جهان برگزید. میرزاخانی تا سال ۲۰۰۸ در پرینستون ماند و در این مدت به درجهٔ استاد تمامی ارتقا یافت. سپس او به استنفورد رفت، و از اول سپتامبر ۲۰۰۸ در ۳۱ سالگی به عنوان استاد تمام در این دانشگاه به کار مشغول شد.
میرزاخانی علاقه‌ای به قرار گرفتن زیر ذره‌بین رسانه‌ها نداشت و مصاحبه‌های زیادی از او منتشر نشده‌است. سلیقهٔ سینمایی میرزاخانی بازتابی از ذات بدون مرز پژوهش اوست، فیلم مورد علاقهٔ او داگویل، نگاهی خشن به آمریکای دوران رکود بزرگ است. وی گفته که در کودکی آرزو داشته نویسنده شود. او گفت: «وقتی که بچه بودم رویایم این بود که نویسنده شوم. هیجان‌انگیزترین لحظاتم را به خواندن رمان می‌گذراندم، در واقع هر چیزی را به دستم می‌رسید می‌خواندم.»
