Marie Bäumer a tenu le rôle de Caroline Bonaparte dans la télésuite Napoléon en 2002. En 2007, elle a incarné la Maîtresse dans la pièce de Hofmannsthal Jedermann.
Dans le téléfilm de Nicolai Rohde 10 secondes jusqu'au crash (drame allemand de 2008), Marie Bäumer joue le rôle de Franziska Hofer, épouse dans le film de l'aiguilleur du ciel Markus Hofer, co-responsable d'un accident d'avion.
Elle est la fille d'un architecte et d'une psychothérapeute et, bien qu'elle soit née en Rhénanie, c'est à Hambourg qu'elle a grandi, fréquentant d'abord le Gymnasium Blankenese et terminant ses études secondaires dans un établissement pratiquant la pédagogie Steiner-Waldorf. Sa formation d'actrice commença en 1992 à la Scuola Teatro Dimitri à Verscio (dans le Tessin) et au studio 033 à Hambourg (Hochschule für Musik und Theater Hamburg). Déjà cette époque elle réussit à percer grâce à la comédie cinématographique de Detlev Buck Männerpension. Pour son rôle dans Der alte Affe Angst d'Oskar Roehler elle reçut en 2002 le prix du cinéma bavarois (Bayerischer Filmpreis'') et le prix de la critique cinématographique allemande (Preis der deutschen Filmkritik). De plus, en raison d'une certaine ressemblance certains critiques la comparaient déjà à
Romy Schneider.
À côté de son activité cinématographique, elle continue à exercer au théâtre : c'est ainsi qu'elle a joué en 1995 Menschenhaß und Reue, pièce mise en scène par Dieter Löbsch au Theater im Zimmer de Hambourg ; en 1996 elle a joué au Theater im Kampnagel dans la pièce Silikon, mise en scène par Falk Richter. En 2007 à l'appel du Festival de Salzbourg elle a joué l'amante dans la pièce de Hugo von Hofmannsthal, Jedermann.
Marie Bäumer a eu un fils avec l'acteur Nicki von Tempelhoff dont elle s'est séparée en juillet 2009.