Começou a carreira aos 17 anos, no Ballet Russo de Montecarlo em 1942 e rapidamente se tornou uma das principais solistas. Nessa época, conheceu George Balanchine, 21 anos mais velho, com quem se casou em 1946. Depois, foi convidada para integrar a Ópera de Paris, junto com ele, em 1947. O casal retornou para os EUA no ano seguinte, e Balanchine voltou a se dedicar ao New York City Ballet.
Maria Tallchief logo ganhou fama internacional, após sua atuação no balé "O pássaro de fogo", de Igor Stravinsky, e outros papéis criados por Balanchine. O casal se divorciou em 1950. Maria Tallchief permaneceu no New York City Ballet até 1965, mas também atuou em outras companhias, como o American Ballet Theatre (1949), o Ballet Russo de Montecarlo (1954), ou o Ballet da Ópera de Hamburgo (1965).
Em 1981, ela e sua irmã, Marjorie, também bailarina, fundaram o Chicago City Ballet, do qual foi diretora artística por seis anos.
