Родилась в семье врача, общественного деятеля, автора книг по литовской истории и медицине Даниэлюса Альсейки (1881—1936) и врача-окулиста и общественного деятеля Вероники Альсейкене.
В 1931 году вместе с родителями переехала в Каунас. Окончив гимназию (1938), училась на гуманитарном отделении Университета Витаутаса Великого, окончила Вильнюсский университет в 1942 году. Вышла замуж за архитектора и деятеля литовской печати Юргиса Гимбутаса. В 1944 году вместе с мужем выехала в Германию. В 1946 году окончила университет в Тюбингене. С 1949 жила в США, работала в Гарвардском и Калифорнийском университетах.
В 1960 г. Гимбутас посетила Москву и Вильнюс, где встретилась с матерью. В 1981 г. выступала с лекциями в Вильнюсе и Москве. Умерла в Лос-Анджелесе; 8 мая 1994 года прах перезахоронен на Петрашюнском кладбище в Каунасе.
В 1956 г. Мария Гимбутас выступила с курганной гипотезой, которая произвела переворот в индоевропеистике. Прародину индоевропейцев она искала в степях Южной России (ямная культура). Пыталась выявить археологические свидетельства вторжения степняков-индоевропейцев в Европу («курганизация»). Джозеф Кэмпбелл сравнил значение её ранних трудов для индоевропеистики со значением расшифровки Розеттского камня для египтологии.
Поздние работы Гимбутас, особенно трилогия «Богини и боги Старой Европы» (1974), «Язык Богини» (1989) и «Цивилизация Богини» (1991), вызвали неприятие в академическом сообществе. В них, следуя по стопам «Белой Богини» Роберта Грейвса, Гимбутас нарисовала идеализированную картину матриархального доиндоевропейского общества Старой Европы — построенного на мире, равенстве и терпимости к нетрадиционной ориентации (осколок этого общества — минойская цивилизация). В результате вторжения индоевропейцев на смену «золотому веку» пришла андрократия — власть мужей, построенная на войне и крови. Эти суждения Гимбутас вызвали положительный отклик среди движений феминистической и неоязыческой ориентации (напр., викка), но не получили поддержки в научной среде.
Особенно неоднозначную реакцию вызвала высказанная Гимбутас в 1989 г. интерпретация тэртерийских надписей как древнейшей в мире письменности, которая якобы была в употреблении в доиндоевропейской Европе.
В Вильнюсе на доме по улице Йогайлос (Jogailos g. 11), в котором в 1918—1931 годах жили родители и в 1921—1931 их дочь Мария Гимбутене, установлена мемориальная плита. В Каунасе мемориальная плита с барельефом Марии Гимбутене установлена на доме по улице Мицкявичяус (Mickevi?iaus g.), в котором она жила в 1932—1940 годах.