Après avoir suivi les cours d'art dramatique de la rue Blanche, elle débute au théâtre puis à la télévision sous le nom de Claudine Huzé
C'est François Truffaut qui la repère et l'engage pour Tirez sur le pianiste (1960)
Il lui suggère le pseudonyme de Marie Dubois, tiré d'un roman de Jacques Audiberti
Actrice fétiche de la Nouvelle Vague, elle tourne pour Godard, Vadim, Verneuil, mais accède à la popularité grâce à la comédie La grande vadrouille (1966) où elle donne la réplique à Bourvil
Atteinte de scérose en plaques, elle disparaît progressivement des écrans depuis les années 1970