Maria Sibylla nació en Frankfurt en el seno de una familia de artistas. Hija del famoso editor y grabador Mathäus Merian y de Johanna Sibylla Heim, a los tres años su padre muere y el negocio editorial pasa a manos de sus hijos varones, Matthias el Joven y Caspar Merian, fruto de un matrimonio anterior. La madre de Maria Sibylla se casa entonces con Jacob Marrel, pintor y grabador reconocido por sus bodegones florales. Jacob enseñará a pintar a Maria Sibylla, así como las técnicas del grabado al cobre. La alumna se siente atraída desde muy pequeña por los insectos, que captura y dibuja del natural con gran maestría. Marrel la apoya incondicionalmente en su pasión, reconociendo su talento y su valía como artista.

En 1665 Maria Sibylla contrajo matrimonio con otro pintor y discípulo de Marrel, Johann Andreas Graff, con quien tuvo su primera hija, Johanna Helena. La familia se traslada entonces a Núremberg, ciudad natal de Graff, donde nace su segunda hija, Dorothea Maria. La pasión de Maria Sibylla por los insectos continua creciendo, siente especial curiosidad por las metamorfosis de las orugas y todos los estadios de transformación por los que pasa cada especie, así como por las plantas de las que se alimentan. Con 28 años comienza a publicar Blumenbuch (Libro de flores), un trabajo en tres volúmenes editado por Graff que servirá de modelo a artistas y profesionales del bordado. Cada uno de estos volúmenes, publicados en 1675, 1677 y 1680, respectivamente, consta de 12 grabados calcográficos de flores finamente ejecutados por Maria Sibylla. Cada uno de ellos se introduce con un título rodeado de una guirnalda floral. En 1680 se editará una versión completa de la obra, Neues Blumenbuch, con una breve introducción e índice.

En 1679 aparece el primer volumen de Der Raupen wunderbare Verwandlung und sonderbare Blumennahrung... (La maravillosa transformación y peculiar alimentación de las orugas en las flores...). Esta vez la obra sí va acompañada de un texto en alemán, además de 50 láminas grabadas y un frontis con el título elaborados con exquisita precisión, por lo que cosechará un gran éxito rápidamente. En 1683 aparecerá un segundo volumen con otras 50 láminas y un frontispicio de excelente calidad. En cada una de estas láminas se ilustran del natural los diferentes estadios del insecto, huevo, larva, pupa y adulto. En el centro de la imagen aparece la planta que sirve de alimento a cada especie. Cada plancha se acompaña de descripciones muy precisas con las observaciones de María Sibylla sobre cada animal. Esta exhaustividad y rigor científico ha provocado que Maria Sybilla Merian sea considerada, junto a Jan Goedart, una de las primeras entomólogas de la historia, más allá de reconocerse como una excelente artista.

En 1681 viaja de nuevo a Frankfurt para resolver asuntos familiares. Allí sufrirá un proceso de conversión espiritual, entrando a formar parte de la comunidad labadista junto con su madre y sus hijas (una corriente religiosa de protestantes puritanos iniciada por Jean de Labadie) y divorciándose de su marido en 1685. Tras seis años en esta comunidad, abandona y se traslada a Ámsterdam junto con sus hijas. Allí Johanna Helena se casa con Jacob Hendrik Herolt, comerciante con una nueva colonia holandesa en Sudamérica, el Surinam. En Ámsterdam Maria Sibylla retomó la pintura, siendo muy reconocida entre naturalistas y coleccionistas, lo que le permitió acceder tanto al jardín botánico de la ciudad, como a los gabinetes de curiosidades de familias muy poderosas. En estos lugares pudo tomar contacto con especímenes procedentes de todos los rincones del mundo, traídos sobre todo de las Indias Orientales y Occidentales. Esta aproximación a exóticos especímenes fue lo que dio origen a la firme idea de emprender un viaje al Surinam para poder estudiar y dibujar la flora y la fauna en su hábitat natural. Durante los ocho años siguientes realizó todos los preparativos de su viaje, para lo cual vendió sus pinturas, aunque también obtuvo financiación privada y una beca de la ciudad, y en 1699, junto con su hija Dorothea y pese a las reticencias de sus amigos y familiares, embarcó en una travesía de tres meses que las llevaría a la colonia de Surinam.

Maria Sibylla y Dorothea exploraron durante dos años las riberas del río Surinam y el interior de la jungla, estudiando toda clase de plantas, arañas, mariposas, aves, anfibios, reptiles, moluscos o mamíferos en una atrevida aventura. Pintaban a la acuarela muchos de los ejemplares que encontraban, y recolectaban otros para pintarlos más tarde. Además observaban, clasificaban y anotaban todo aquello que consideraron relevante, como el ciclo vital de multitud de insectos. Tras contagiarse de malaria, regresan a Ámsterdam en 1701 con un buen número tanto de pinturas como de especímenes conservados. En 1705 se publica en holandés y en latín Verandering der Surinaamsche Insecten o Metamorphosis Insectorum Surinamensium , la que se dijo que era "la más bella obra jamás impresa".  En folio mayor, y sobre papel de gran calidad, se estamparon 60 planchas de cobre grabadas por Joseph Mulder, Pieter Sluyter, y D. Stopendael tomadas de dibujos de Maria Sibylla y Dorothea.

En 1715 Maria Sibylla sufrió una apoplejía, aunque continuó trabajando hasta su muerte, a los 69 años. Su hija Johanna publicó de forma póstuma la tercera parte del Raupenbuch, la cual aparecería con las otras dos partes en una edición holandesa publicada en 1717, seguida de una edición latina completa de las tres partes, editada en 1718 (Erucarum ortus, alimentum et paradoxa metamorphosis). Posteriores ediciones de Metamorphosis aparecieron en 1719 y 1730 (y una traducción al francés Dissertation sur la generation et les transformations des insectes de Surinam en 1726), reutilizando las planchas originales y añadiendo 12 láminas más con su correspondiente texto dibujadas por sus hijas. Las láminas de esta nueva edición se realizaron por el método de contra-impresión, esto es, tras estampar una plancha sobre un papel, éste se presionaba mientras estaba la tinta húmeda sobre otro papel, en el que quedaba una imagen invertida de la primera estampación. Así, se producían dos copias cada vez de las que solo una muestra la huella de la plancha de cobre. También en 1730 se publicará De Europischen insecten y su traducción al francés, Histoire des Insectes de l'Europe, una obra editada por Bernard que reutiliza las ilustraciones de Der Raupen wunderbare. a menor tamaño y en grupos de tres o cuatro grabados por cada hoja, con 48 hojas de ilustraciones que contienen 185 grabados y un frontispicio alegórico.

En 1771, Desnos publica en París una trilogía con una tercera edición de Verandering der Surinaamsche Insecten o Metamorphosis Insectorum Surinamensium con 72 láminas estampadas con los cobres de Maria Sibylla, un segundo volumen titulado Les Plantes de L'Europe con una nueva reimpresión de las planchas de Histoire des Insectes de l'Europe de Bernard e incluyendo algunos nombres comunes en francés. El tercer volumen, sin embargo, recogería parte del trabajo de Daniel Rabel, Theatrum Florale.