Marie-Laure Pain est titulaire d'une licence d’histoire (mention histoire de l’art) (université Paris-Ouest Nanterre, 2007), d'un Master recherche d’histoire de l’art (université Paris-Ouest Nanterre, 2009) et d'un Master professionnel de Sauvegarde, Inventaire et Valorisation du Patrimoine (université Reims Champagne-Ardenne, 2009).
Elle a été en classe préparatoire au concours de conservateur du patrimoine à l’École du Louvre puis à l’université Paris I-Sorbonne de 2009 à 2011.
Marie-Laure Pain est en cinquième année de doctorat d’histoire de l’art et archéologie à l’école doctorale de Paris-Ouest Nanterre "Milieux, cultures et sociétés du passé et du présent" sous la direction de Jean-Pierre Caillet. Le titre de sa thèse est : "L’architecture monastique à l’époque de Charlemagne".
Elle a été boursière et associée au groupe de recherche «Charlemagne» à l’Institut historique allemand de Paris de 2011 à 2014. Depuis, elle en demeure chercheuse invitée.