مریم میرزاخانی در 22 اردیبهشت 1356ش در شهر تهران دیده به دنیا گشود. مریم چهارمین فرزند خانواده بود. پدرش مسئول یک مرکز نیکوکاری بود و مریم نیز به فعالیت در این مرکز خیریه علاقمند بود و به‌عنوان یکی از فعالان گروه همیاری جوانان به موضوع توانمندسازی افراد دارای معلولیت اهتمام می‌ورزید. او در دوران کودکی آرزوی نویسنده شدن را در سر می‌پروراند و خواندن رمان، یکی از سرگرمی‌های روزانه‌اش بود. در میانه این دوران شیرین دخترانه، برادر بزرگترش پنجره‌ای از دانش ریاضی را به روی وی گشود و با مطرح کردن راه حل جمع اعداد یک تا 100 به روش خاص، فهمی دلنشین از دانش ریاضی را به مریم هدیه کرد.
دکتر حسین مدرسی طباطبایی، استاد دانشگاه پرینستون می‌گوید: «همسر مریم میرزاخانی مدتی پیش از ازدواج به اسلام گرویده بود. در دوره‌ای که فوق دکترا دانشگاه پرینستون بود، روزی به دفتر من آمد و سؤالاتی در باب اسلام داشت. به روال همه موارد مشابه، دو مجموعه پر حجم از درس‌های پیشین خود در عقاید و حقوق اسلام به او دادم و از او خواستم به دقت و منتقدانه بخواند و انتقادات و نظرات خود را از ساده‌ترین تا خشن‌ترین و سهمگین‌ترین، صادقانه با من در میان بگذارد. چنین کرد و مدتی عصرها ساعت 5/4 که درسم تمام می‌شد، به دفتر من می‌آمد و صحبت می‌کردیم. از بهترین و مهذب‌ترین دانشمندان جوانی بود که در طول 35 سال خدمت در این دانشگاه دیده‌ام. عاقبت به قائد توفیق و نورانیت پیامبر اکرم به اسلام تشرف یافت. شهادت اسلام او را خود به خط و امضای خویش نوشتم. مفتخرم که زمینه‌ساز ازدواج او با مریم بودم.»
دکتر طباطبایی درباره اعتقادات عمیق مذهبی پروفسور میرزاخانی نیز اینگونه توضیح داده است: «مریم به مذهب دلبستگی عمیق و حقیقی داشت. او کسی نبود که کاری بدون رعایت دقیق موازین شرع کند. تنها مسئله پوشش موی سر بود که بر آن مستمسکی شرعی داشت. شاید من با آن نظر موافق نبودم، اما او با خدای خود و با پیامبر و خاندان گرامی او راهی دیگر داشت. خدایش در سایه رحمت واسعه خود جای دهاد. مریم به پاکی فرشتگان بود. داغ او بر دلم سنگینی می‌کند. چه توانم کرد؟»