Nacida Marie Louise Fuller en el suburbio de Chicago de Fullersburg, ahora Hinsdale, Illinois, Fuller comenzó su carrera teatral como actriz infantil profesional y más tarde coreografió e interpretó bailes en burlesque (como bailarina de falda), vodevil y espectáculos de circo. Una practicante de danza libre temprana, Fuller desarrolló sus propias técnicas naturales de movimiento e improvisación. En múltiples espectáculos experimentó con una falda larga, coreografiando sus movimientos y jugando con las formas en que podía reflejar la luz. En 1891, Fuller combinó su coreografía con trajes de seda iluminados por iluminación multicolor de su propio diseño, y creó la Danza Serpentina. Después de muchas dificultades para encontrar a alguien dispuesto a producir su trabajo cuando era conocida principalmente como actriz, finalmente fue contratada para interpretar su pieza entre los actos de una comedia titulada Uncle Celestine, y recibió críticas muy favorables.

Casi de inmediato, ella fue sustituido por imitadores (originalmente Minnie «Renwood» Bemis). Con la esperanza de recibir un reconocimiento artístico serio que no estaba recibiendo en Estados Unidos, Fuller se fue a Europa en junio de 1892. Se convirtió en una de las primeras bailarinas modernas estadounidenses que viajaron a Europa en busca de reconocimiento. Su cálida recepción en París convenció a Fuller de permanecer en Francia, donde se convirtió en una de las principales revolucionarias de las artes. Intérprete habitual en el Folies Bergère con obras como Fire Dance, Fuller se convirtió en la encarnación del movimiento Art Nouveau y a menudo se identificaba con el simbolismo, ya que su trabajo era visto como la reciprocidad perfecta entre idea y símbolo. Fuller comenzó a adaptar y expandir su vestuario y su iluminación, de modo que se convirtieron en el elemento principal de su actuación, quizás incluso más importante que la coreografía real, especialmente porque la longitud de la falda se incrementó y se convirtió en el foco central, mientras que el cuerpo se ocultó principalmente en las profundidades de la tela. Una película de 1896 de la Danza Serpentina de los cineastas pioneros Auguste y Louis Lumière da una idea de cómo fue su actuación. (La bailarina desconocida en la película a menudo se identifica erróneamente como la misma Fuller; sin embargo, no hay imágenes reales de baile de Fuller.)

El trabajo pionero de Fuller atrajo la atención, el respeto y la amistad de muchos artistas y científicos franceses, incluidos Jules Chéret, Henri de Toulouse-Lautrec, François-Raoul Larche, Henri-Pierre Roché, Auguste Rodin, Jean-Léon Gérôme, Franz von Stuck, Maurice Denis, Thomas Theodor Heine, Paul-Léon Jazet, Koloman Moser, Demetre Chiparus, Stéphane Mallarmé y Marie Curie. Fuller también fue miembro de la Société astronomique de France (Sociedad Astronómica Francesa).

Fuller tenía muchas patentes relacionadas con la iluminación escénica, incluidos compuestos químicos para crear gel de color y el uso de sales químicas para iluminación luminiscente y prendas de vestir (patente de vestuario de Estados Unidos 518347). Intentó crear una patente de su Danza Serpentina, ya que esperaba evitar que los imitadores tomaran su coreografía e incluso afirmaran ser ella. Fuller envió una descripción escrita de su baile a la Oficina de Derechos de Autor de los Estados Unidos; sin embargo, un juez del Tribunal de Circuito de los Estados Unidos terminó negando la solicitud de Fuller de una orden judicial, ya que la Danza Serpentina no contaba ninguna historia y, por lo tanto, no era elegible para la protección de derechos de autor. En ese momento, la danza solo estaba protegida si se calificaba como «dramática» y la danza de Fuller era demasiado abstracta para esta calificación. El precedente establecido por el caso de Fuller se mantuvo desde 1892 hasta 1976, cuando la Ley Federal de Derechos de Autor extendió explícitamente la protección a las obras coreográficas.

Fuller apoyó a otros artistas pioneros, como la bailarina estadounidense Isadora Duncan. Fuller ayudó a Duncan a encender su carrera europea en 1902 patrocinando conciertos independientes en Viena y Budapest.

Fuller formó una estrecha amistad con la Reina maría de Rumania; su extensa correspondencia ha sido publicado. Fuller, a través de una conexión en la embajada de los Estados Unidos en París, jugó un papel en la organización de un préstamo de los Estados Unidos para Rumania durante la Primera Guerra Mundial.Más tarde, durante el período en que el futuro Carol II de Rumania estaba alienado de la familia real rumana y vivía en París con su amante Magda Lupescu, se hizo amiga de ellos; no sabían de su conexión con la madre de Carol, Marie. Fuller inicialmente abogó por Marie en nombre de la pareja, pero más tarde conspiró sin éxito con Marie para separar a Carol de Lupescu. Con la Reina María y el empresario estadounidense Samuel Hill, Fuller ayudó a fundar el Museo de Arte Maryhill en el estado rural de Washington, que tiene exposiciones permanentes sobre su carrera.

Fuller regresó ocasionalmente a Estados Unidos para representar a sus estudiantes, los «Fullerets» o Musas, pero pasó el final de su vida en París. Murió de neumonía a la edad de 65 años el 1 de enero de 1928 en París, a dos semanas de cumplir 66 años. Fue incinerada y sus cenizas están enterradas en el columbario del Cementerio Père Lachaise de París.