De son vrai nom Maria-Magdalena Wladimirovna Gagarina, Macha Méril naît en 1940, avec le rang de princesse, de l'union de Marie Belsky, issue de la noblesse ukrainienne, et du prince Wladimir Gagarine, tous deux exilés avec leurs familles sur la Côte d'Azur après la Révolution de 1917. Benjamine d'une fratrie composée de son demi-frère Georges et de ses deux sœurs, elle grandit à Rabat où son père fait des recherches sur les agrumes. Il devient ensuite propriétaire d'un vignoble près d'Antibes, où il s'installe pour développer une plantation d'œillets. Son frère Georges est tué à 18 ans dans les combats de novembre 1942 en Allemagne, et son père meurt du typhus, cinq ans plus tard. La mère emmène alors la famille à Paris.
Macha Méril est scolarisée au lycée Marie-Curie de Sceaux. Elle commence ensuite des études de lettres, mais les interrompt pour entrer à l'école du Théâtre national populaire, suivre les cours d'art dramatique de Charles Dullin et se consacrer à la carrière de comédienne. On l'invite à se choisir un nom de scène, elle garde Macha, le diminutif de Maria, et prend le nom de Méril en hommage à la cantatrice Helen Merrill.
En 1959, Macha Méril commence sa carrière cinématographique avec le second rôle marquant d'Yvette dans La Main chaude, première réalisation de Gérard Oury qui est à la fois acteur, scénariste et dialoguiste. Installée à New York, elle est élève à l'Actors Studio de 1960 à 1962. Après quelques téléfilms américains et un long-métrage, Mercredi soir, 9h de Daniel Mann, elle revient en France et devient une des actrices de la Nouvelle Vague. Jean-Luc Godard lui offre, en 1964, le rôle principal de son huitième long métrage, Une femme mariée, qui lance sa carrière.
Après des rôles, dans Belle de jour de Luis Bunuel (1966), Nous ne vieillirons pas ensemble de Maurice Pialat (1972), Beau-père de Bertrand Blier (1981), Les Uns et les Autres de Claude Lelouch (1981), Le Grand Carnaval d'Alexandre Arcady (1983) ou encore La Vouivre de Georges Wilson (1989), Macha Méril privilégie le théâtre et les dramatiques télévisées.
Mariée au réalisateur et producteur de cinéma italien Gian Vittorio Baldi en 1969, elle s'installe à Rome et tourne dans plusieurs films italiens. Malgré son divorce, elle adopte légalement son beau-fils, Gian Guido, né d'une première union.
En 2005, elle reçoit le Prix Reconnaissance des cinéphiles pour l'ensemble de sa carrière décerné à Puget-Théniers (Alpes-Maritimes) par l'association Souvenance de cinéphiles.
Sociétaire de l'émission Les Grosses Têtes, elle participe de manière aléatoire à l'émission Ça balance à Paris en tant que chroniqueuse culture.
Proche de Lionel Jospin en 2002, elle fait publiquement part en 2012 de son soutien à François Hollande.
En octobre 2013, elle annonce qu'elle prépare une émission de télévision culinaire où elle apprendra à cuisiner à son fils.
Le {{date-}}, elle épouse le compositeur Michel Legrand, civilement à Monaco puis religieusement à la cathédrale orthodoxe russe Saint-Alexandre-Nevsky à Paris.