Ancienne élève de l'École normale supérieure, Marie Robert est titulaire d'un DEA d'études cinématographiques.
Professeur agrégée de sciences économiques et sociales au lycée (1999-2001), elle a été conservatrice du patrimoine au Musée des civilisations de l'Europe et de la Méditerranée (2004-2008), responsable du département de la photographie à la Médiathèque de l'architecture et du patrimoine (2008-2011).
Elle est conservatrice en chef chargée de la photographie au musée d'Orsay depuis 2011.
Elle a été commissaire de nombreux expositions notamment "Misia, reine de Paris" (2012-2013) et "Qui a peur des femmes photographes ? (1918-1945)" (2015-2016).
Marie Robert a été également chargée du cours organique de l'histoire de la photographie à l’École du Louvre (2014-2017).