Раннее детство прошло в семье деда, известного киевского профессора-физика де Метца. Окончила филологический факультет МГУ (1947); работала в вузах Томска (под руководством А. П. Дульзона), Тулы, Пекина. Кандидатскую диссертацию защитила в МГПУ на тему «Система иносказаний в очерках М. Е. Салтыкова-Щедрина За рубежом» (1960, рук. С. М. Бонди). С 1965 г. — в Новосибирске, совмещая преподавание в Новосибирском государственном университете (сначала на отделении математической лингвистики, после его закрытия — на отделении филологии) с работой в Институте истории, филологии и философии (в настоящее время самостоятельный Институт филологии) СО РАН, где заведовала сектором языков народов Сибири; в настоящее время — главный научный сотрудник этого сектора. Докторская диссертация на тему «Сложные сравнительные конструкции русского языка» (1974). С 1975 — профессор кафедры общего и русского языкознания НГУ, в 1994 г. стала также первым заведующим созданной по её инициативе кафедры языков и фольклора народов Сибири, где продолжает работать и в настоящее время.
Лингвистическая деятельность М. И. Черемисиной началась с исследования русского синтаксиса; в этой области ей была разработана оригинальная теория структуры сложного предложения и смежных конструкций, в целом близкая к идеологии функционального синтаксиса. Занималась также исследованиями лексической семантики и синонимии, в том числе в рамках популярных в 1960-е гг. статистического и формально-логического подходов. С середины 1970-х гг. в её исследованиях начинает доминировать типологическая проблематика: составив масштабную программу сопоставительного изучения синтаксических конструкций в алтайских, уральских и палеоазиатских языках Сибири, она становится главой продуктивной научной школы, включающей в том числе и исследователей из числа представителей коренных народов Сибири; под её руководством защищено более 40 диссертаций. Центральными для теории М. И. Черемисиной являются введённые ею понятия «полипредикативной конструкции» и «элементарного простого предложения», на базе которых впервые выделен и описан так наз. «алтайский тип» подчинительных конструкций. Методы и терминология синтаксической школы М. И. Черемисиной и в настоящее время широко используются при описании этих языков её многочисленными учениками и последователями.