Maria Villavecchia Bellonci nacque a Roma il 30 novembre 1902 da una famiglia aristocratica di origine piemontese.
Studiò presso le monache del Sacro Cuore di Trinità dei Monti, poi al liceo Umberto I.
Nel 1922 compose il primo romanzo, Clio e le amazzoni, che ebbe modo di sottoporre a Goffredo Bellonci, critico letterario e redattore del Giornale d'Italia. Il critico apprezzò la prova ma giudicò la scrittrice non ancora matura per la pubblicazione, tuttavia dall'amicizia nata fra i due si giunse al fidanzamento quindi al matrimonio celebrato l'11 agosto 1928.
Nel 1930, su richiesta del filologo Giulio Bertoni, Maria iniziò a studiare un inventario dei gioielli di Lucrezia Borgia. Questa attività spinse la scrittrice ad approfondire lo studio del personaggio e a dedicarsi ad un'inesausta ricerca di documenti e notizie storiche.
Il marito Goffredo informò l'editore Mondadori ed il libro fu pubblicato nella primavera del 1939. Nel luglio dello stesso anno vinse il Premio Viareggio ex aequo con Clara fra i lupi di Arnaldo Frateili e Basso profondo di Orio Vergani.
Negli anni quaranta Maria Bellonci si dedicò allo studio delle vicende e della figura di Isabella d'Este, studio intorno al quale prese forma il suo secondo lavoro, I segreti dei Gonzaga che fu pubblicato nel 1947.
Dal 1944 si tenevano nell'abitazione della scrittrice delle riunioni domenicali di letterati (Gli amici della domenica), in questo contesto nel 1946 con il sopporto finanziario dell'imprenditore Guido Alberti, nacque il Premio Strega la cui prima edizione, nel 1947, fu vinta da Ennio Flaiano con Tempo di uccidere.
Dal 1951 Maria Bellonci collaborò assiduamente con la radio (Scrittori al microfono, La donna e il secolo, Milano viscontea ed altre trasmissioni) e si dedicò alle traduzioni dal francese (La signora delle Camelie di Dumas figlio, I tre moschettieri di Dumas padre, Viaggio al centro della terra di Verne).
Nel 1964 morì Goffredo Bellonci e la vedova prese ad occuparsi dell'Istituto internazionale per la storia del teatro da lui fondato.
Nel 1971 pubblicò Come un racconto gli anni del Premio Strega ed il romanzo Tu, vipera gentile.
Intanto l'autrice lavorava ad una grande sceneggiatura per una realizzazione televisiva sulla vita di Isabella d'Este che non fu mai portata a termine per problemi economici, ma dall'enorme lavoro svolto per questa biogradia nacque il romanzo Rinascimento privato che fu pubblicato nel 1985 ed è considerato da molti il suo capolavoro.
Maria Bellonci morì a Roma il 13 maggio 1986 di un male incurabile. Rinascimento privato vinse il Premio Strega nello stesso anno.

Opere:
Lucrezia Borgia. La sua vita e i suoi tempi, 1939.
Segreti dei Gonzaga 1947.
Milano Viscontea, 1956.
Pubblici segreti, 1965.
Come un racconto. Gli anni del Premio Strega, 1969.
Tu vipera gentile. Delitto di stato, Soccorso a Dorotea, 1972.
Marco Polo, 1982.
Rinascimento privato, 1985.
Io e il Premio Strega, 1987.
Segni sul muro, 1988.
Pubblici segreti n. 2, 1989.
Il Premio Strega, 1995.
Gente in castello, 2007.