Sie wurde am 30. Mai 1975 in Wausau, Wisconsin geboren. Heute lebt sie mit ihrem Ehemann, dem Google-Gründer Larry Page Zachary Bogue, und ihren drei gemeinsamen Kinder in Palo Alto, Kalifornien.
Mayer studierte an der Stanford University Informatik. Ihre Karriere begann in der Schweiz als Sie für das Research Lab der UBS arbeitete. Später arbeitete sie in Menlo Park (USA) beim SRI International.
Als 20. Mitarbeiterin und erste weibliche Technikerin kam Marissa Ann Mayer 1999 zu Google, wo sie fünf Jahre als Produktmanagerin tätig war. Anschliessend war sie weitere fünf Jahre als Vize-Präsidentin für die Suchprodukte und User Experience verantwortlich, wobei sie das Design der Google-Hauptseite und der Suche bestimmte. Ab Ende 2010 war Mayer als Vize-Präsidentin für den Bereich «ortsbezogene und lokale Dienste» verantwortlich. Unter anderem soll sie viel zu Gmail, Orkut und Google Maps beigetragen haben.
Im Jahre 2012 trat sie bei Yahoo die Stelle als Vorsitzende der Geschäftsführung an, in der Hoffnung, den Internetkonzern vor dem Schrumpfkurs retten zu können. Doch trotz hoher Investitionen in Medieninhalte und teurer Zukäufe (wie bspw. Tumblr) scheiterte Mayer. Vier Jahre später verkaufte sie das Webgeschäft von Yahoo an den Telekomkonzern Verizon. Nach Abschluss dieser Transaktion im Sommer 2017 verliess sie das Unternehmen.
Nach ihrer Zeit bei Yahoo gründete Mayer zusammen mit einem ehemaligen Kollegen das Unternehmen Lumi Labs – ein Gründerzentrum, das jungen Start-up-Unternehmen Anschubhilfe gibt. Lumi Labs konzentriert sich auf künstliche Intelligenz und Verbrauchermedien.