Maria Tallchief è nata come Elizabeth Marie Tall Chief e ha cambiato il suo nome in seguito per europeizzarlo per motivi di carriera. Suo padre era di origine Osage e la tribù era il beneficiario dei diritti petroliferi. La sua famiglia era benestante e aveva lezioni di danza e pianoforte dall'età di tre anni.
Nel 1933, inseguendo opportunità per Maria e sua sorella, Marjorie, la famiglia Tall Chief si trasferì in California. La madre di Maria voleva che le sue figlie diventassero pianiste da concerto, ma erano più interessate alla danza. Uno dei primi insegnanti di Maria in California fu Ernest Belcher, padre del campione Marge Belcher, moglie e partner professionale del campione Gower. Da giovane, Maria, con sua sorella, ha studiato con David Lichine e poi con Bronislava Nijinska, che nel 1940 lanciò le sorelle in un balletto all'Hollywood Bowl che Nijinska aveva coreografato.
Dopo il liceo, Maria Tallchief si unì al Ballet Russe di New York, dove era solista. Fu durante i suoi cinque anni al balletto Russe che adottò il nome Maria Tallchief. Mentre il suo background di nativi americani ha portato allo scetticismo sul suo talento da parte di altri ballerini, le sue esibizioni hanno cambiato idea. Le sue esibizioni hanno impressionato il pubblico e la critica. Quando George Balanchine divenne maestro di balletto al Ballet Russe nel 1944, la prese come musa e protetta, e Maria Tallchief si ritrovò in ruoli sempre più importanti adattati ai suoi punti di forza.
Maria Tallchief sposò Balanchine nel 1946. Quando andò a Parigi, anche lei andò e fu la prima donna ballerina di origine americana a esibirsi con l'Opera di Parigi, a Parigi e in seguito con il Balletto dell'Opera di Parigi a Mosca al Bolshoi.
George Balanchine tornò negli Stati Uniti e fondò il New York City Ballet, e Maria Tallchief fu la sua prima ballerina, la prima volta che un americano aveva ricoperto quel titolo.
Dagli anni '40 agli anni '60, Tallchief fu uno dei ballerini di maggior successo. Era particolarmente popolare e di successo come e in The Firebird a partire dal 1949, e come Sugar Plum Fairy in Lo Schiaccianoci a partire dal 1954. Apparve anche in televisione, fece apparizioni come ospite con altre compagnie e apparve in Europa. Dopo essere stata addestrata da David Lichine all'inizio della sua educazione alla danza, ha interpretato l'insegnante di Lichine, Anna Pavlova, in un film del 1953.
Il matrimonio di Tallchief con Balanchine fu un successo professionale ma non personale. Iniziò a interpretare Tanaquil Le Clerq in ruoli chiave e non voleva avere figli, mentre Maria lo faceva. Il matrimonio fu annullato nel 1952. Un breve secondo matrimonio fallì nel 1954. Nel 1955 e 1956, fu rappresentata al Balletto Russe de Monte Carlo, e nel 1956 sposò un dirigente edile di Chicago, Henry Paschen. Hanno avuto un figlio nel 1959, si è unita all'American Ballet Theater nel 1960, in tournée in America e in URSS.
Nel 1962, quando Rudolf Nureyev, recentemente defezionato, debuttò alla televisione americana, scelse Maria Tallchief come partner. Nel 1966, Maria Tallchief si ritirò dal palco, trasferendosi a Chicago.
Maria Tallchief tornò alla partecipazione attiva nel mondo della danza negli anni '70, formando una scuola collegata alla Chicago Lyric Opera. Quando la scuola fu vittima di tagli al bilancio, Maria Tallchief fondò la sua compagnia di balletto, il Chicago City Ballet. Maria Tallchief ha condiviso le funzioni di direttore artistico con Paul Mejia, e sua sorella Marjorie, anch'essa ballerina in pensione, è diventata la direttrice della scuola. Quando la scuola fallì alla fine degli anni '80, Maria Tallchief divenne di nuovo associata alla Lyric Opera.
Un documentario, Maria Tallchief, è stato creato da Sandy e Yasu Osawa, per andare in onda su PBS nel 2007-2010.