Η Μαρία Θέμελη, σπούδασε στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Πατρών. Έκανε διδακτορικό στο ίδιο πανεπιστήμιο και αργότερα, μετακόμισε για μεταδιδακτορική εκπαίδευση στο Κέντρο Καρκίνου Memorial Sloan Kettering στη Νέα Υόρκη για να εργαστεί στο εργαστήριο του Dr. Michel Sadelain. Στο εργαστήριό του εκπαιδεύτηκε σε βάθος στον σχεδιασμό, την ανάπτυξη, την κατασκευή και τις κλινικές εφαρμογές της ανοσοθεραπείας με λεμφοκύτταρα, των λεγομένων κυττάρων CAR-T.
Η δουλειά της οδήγησε σε ανακαλύψεις υψηλού αντίκτυπου και διακρίθηκε με υποτροφίες για την έρευνά της. Ανέπτυξε μια πρωτοποριακή και πολύ αποτελεσματική μέθοδο που χτυπά τον καρκίνο με τη χρήση των βλαστικών κυττάρων. Η μέθοδος θεωρείται αποτελεσματική κατά 90%, έχει κατοχυρωθεί με πατέντα και αναμένεται να τεθεί σε εφαρμογή.
Η Ελληνίδα επιστήμονας, είναι πρωτοπόρος στον τομέα της. Φέτος βραβεύτηκε ως Γυναίκα της χρονιάς στην Ολλανδία, για την έρευνά της για τον καρκίνο.