Fille d’une actrice russe et d’un noble polonais, Maria Vorobieff étudie à Tbilissi et à Moscou avant de partir en Italie. Ensuite elle s’installe à Paris parmi la communauté russe et se lie d’amitié avec les peintres de Montparnasse (Léger, Chagall, Picasso...). Vorobieff aime éperdument Diego Rivera, mais il repart au Mexique lui laissant leur fille. La Seconde Guerre mondiale l’incite à gagner la Côte d’azur où elle aménage son atelier.
Première femme à adopter le style cubiste, elle met au point une technique picturale très personnelle qui révèle son indépendance : elle ajoute le pointillisme au cubisme. En outre chaque toile est signée d’une touche originale : plans et lignes traversent ses compositions, mais elle rompt le rythme par une forme en bas-relief ; les tons sont sobres, mais elle surprend par un contraste de motifs lumineux et opposés. Très productive, Vorobieff vend un grand nombre de toiles.
Dès 1912, elle expose à Paris, puis à Londres, ensuite aux Etats-Unis et au Japon ; son œuvre reçoit un hommage en 1968 lors d’une rétrospective organisée par la fondation Guggenheim à New York.