Née à Lisbonne dans une famille d'artistes, Maria de Medeiros quitte rapidement le Portugal pour Paris. Elle y étudie à l'Ecole nationale supérieure des arts et techniques du théâtre. Elle entre ensuite au Conservatoire national d'art dramatique. Joao César Monteiro lui donne son premier rôle au cinéma en 1980 dans Silvestre.En 1988, elle obtient un petit rôle dans La Lectrice de Michel Deville. D'abord partagée entre la France et le Portugal, Maria de Medeiros se fait ensuite remarquer dans des productions internationales. En 1990, elle interprète un personnage trouble dans Henry & June de Philip Kaufman. Un an après, elle joue dans La Tentation de Venus de Istvan Szabo. Elle est révélée au grand public en 1994 dans Pulp Fiction de Quentin Tarantino. Elle y interprète la petite amie fragile et naive de Bruce Willis.Au fil de sa carrière, elle revient souvent à ses origines. En 1990, elle tourne dans La Divine Comedie sous la direction du grand maître portugais Manoel de Oliveira. En 1994, elle est à l'affiche de Três Irmaos de Teresa Villaverde, film pour lequel elle reçoit le prix d'interprétation féminine au Festival de Venise. Un an après, elle joue dans Adam et Eve de Joaquim Leitao.Maria de Medeiros tourne aussi régulièrement dans des productions françaises. Elle joue dans le premier film de Bernard Rapp, Tiré à part. Elle passe du registre policier au conte fantastique avec Les Mille Merveilles de l'univers (1997, Jean-Michel Roux) et Babel de Gerard Pullicino. Elle tourne également dans des comédies, dont Des nouvelles du bon Dieu (1995, Didier Le Pêcheur), Deuxième Vie (2000, Patrick Braoudé) et Moi César, 10 ans 1/2, 1,39 m (2002, Richard Berry). Elle réalise trois courts métrages : Severine C, Fragment II d'après Samuel Beckett et La Mort du Prince d'après Fernando Pessoa. En 1999, elle écrit et réalise son premier long métrage, Capitaines d'avril. Le film retrace la Révolution des Oeillets qui eut lieu à Lisbonne en 1974.
