او در دوران تحصیل در دبیرستان فرزانگان تهران، 2 سال پیاپی برنده مدال طلای المپیاد جهانی ریاضی در هنگ کنگ و  کانادا شد. وی مدرک کارشناسی خود را در رشته ریاضی از دانشگاه شریف تهران و همچنین دکترای خود را در سال 2004 از دانشگاه هاروارد آمریکا گرفت.
او به همراه رویا بهشتی نخستین دخترانی بودند که به تیم المپیاد ریاضی ایران راه یافتند و همچنین نخستین بانوی ایرانی بود که در المپیاد ریاضی ایران مدال طلا گرفت. در سال ۲۰۰۵ در نشریه پاپیولار ساینس آمریکا از مریم میرزاخانی به عنوان یکی از ده ذهن جوان برگزیده و همچنین ذهن برتر ریاضیات تجلیل به عمل آمد.