Ha iniziato a giocare a tennis a circa 5 anni, seguita dal padre, e ha partecipato regolarmente ai tornei del circuito WTA fin dal settembre 2002. In carriera ha vinto 6 titoli WTA in singolare e 12 in doppio, raggiungendo la sua miglior classifica nel singolo il 10 giugno 2013 al numero 10.
Da junior ha vinto gli Open del Canada e l'US Open nel 2002. Nel 2005 ha esordito in Fed Cup nell'incontro con il Belgio.
Carriera 2003 Professionista dal 2002, la Kirilenko si fa notare l'anno seguente quando ad Hyderabad, in India, partita dalle qualificazioni raggiunge i quarti di finale perdendo dalla n.32 del ranking Tamarine Tanasugarn. Si mette in evidenza anche allo US Open. Dopo aver superato le qualifiche, Marija si arrende al III turno dalla n.6 del mondo Amélie Mauresmo mostrando una buona prova. A Tashkent, viene sconfitta al II turno dalla croata Jelena Kostanic-Tosic.
2004 Dopo aver fallito l'accesso al tabellone principale agli Australian Open, giunge alla prima finale in carriera ad Hyderabad dove è sconfitta da Nicole Pratt. Al Tier I di Indian Wells perde al primo turno, mentre a Key Biscayne si arrende al secondo turno da Nadia Petrova. Rientra al Roland Garros, dove al secondo turno mette i bastoni tra le ruote alla forte statunitense Serena Williams, ma non basta per sbarrarle la strada. Al Tier III s'Hertogenbosch, esce di scena al secondo turno. A Wimbledon, lascia il torneo anzitempo perdendo al primo turno dalla n.31 del seeding Amy Frazier. Agli US Open, dopo aver sconfitto la n.25 Elena Lichovceva, si arrende alla statunitense Lisa Raymond al turno seguente.
2005 Il 2005 inizia bene. Raggiunge il II turno agli Open d'Australia ed al Tier I di Tokyo. Ad Hyderabad esce di scena nella semifinale opposta all'indiana Sania Mirza. Disputa un ottimo torneo a Doha dove, partita dalle qualifiche, si arrende nei quarti dalla numero 2 delle classifiche Amélie Mauresmo. A marzo, continua il suo buon momento di forma. Al Tier I di Indian Wells, supera le qualificazioni e fa fuori la Bovina al secondo turno, per poi lasciare il torneo negli ottavi perdendo dalla Martinez. A Key Biscayne, a farla fuori al secondo turno, è ancora la Mauresmo. Inizia bene anche la stagione sulla terra. A Varsavia, viene eliminata al II turno dalla rientrante Kim Clijsters. A Berlino, viene eliminata dall'altra belga Justine Henin. Al Roland Garros esce subito di scena, sconfitta dalla qualificata Birnerova. La stagione su erba è abbastanza deludente raggiungendo il secondo turno a Birmingham, s'Hertogenbosch e Wimbledon. Al Tier II di New Haven, dopo essere stata ripescata come lucky loser, perde al secondo turno dalla giovane connazionale Anna Čakvetadze. Agli US Open, si trova al II turno Venus Williams dove la Kirilenko viene sconfitta. Marija vince il primo titolo della carriera a Pechino, battendo prima la Sharapova in semifinale e la Groenefeld in finale. La settimana seguente, perde nei quarti a Canton. A Tokyo esce in semifinale contro la Vaidisova, mentre al Tier I di Mosca si arrende a Vera Zvonarëva all'esordio.
2006
Dopo aver raggiunto i quarti ad Auckland, Marija viene sconfitta al secondo turno a Sydney. Agli Australian Open raggiunge il terzo turno, dove viene sconfitta in III set dalla n.1 del ranking Lindsay Davenport. Al Tier I di Tokyo, perde nei quarti contro la rientrante Martina Hingis racimolando solo tre game. A Dubai, dopo aver eliminato la Petrova, si arrende ancora alla Davenport ai quarti. A Doha, viene sconfitta al secondo turno da Svetlana Kuznecova. Ad Indian Wells è sconfitta dalla Čakvetadze al III turno, mentre a Miami esce negli ottavi contro la Šarapova. Al Tier I di Berlino, perde al terzo turno contro la Henin nettamente. Al Roland Garros, sfrutta la sua testa di serie raggiungendo il terzo turno dove viene superata dalla Grönefeld. La stagione su erba è deludente perdendo i due unici match disputati su questa superficie. Non le va bene neanche la stagione sul cemento americano, dove riesce a raggiungere come miglior risultato il terzo turno agli US Open, dove tre l'altro viene sconfitta contro pronostico dalla francese Rezaï. Nel finale di stagione riesce a raggiungere solo i quarti al Tier I di Zurigo, sconfitta dalla Srebotnik.
2007
Agli Australian Open raggiunge il terzo turno perdendo dalla Kuznecova. A febbraio raggiunge il secondo turno a Tokyo, Doha e Dubai. Ad Indian Wells perde al secondo turno, mentre a Key Biscayne va fuori al II turno. Sui tornei di preparazione degli Open di Francia, Marija esce di scena al primo turno a Budapest, Estoril, Berlino e Roma. Arriva così al Roland Garros senza aver vinto una partita sul rosso. Riesce a superare il primo turno, ma in quello seguente è sconfitta da Samantha Stosur. A Birmingham gioca un buon torneo, mettendo in difficoltà la Janković al terzo turno perdendo poi per 7-5 al terzo set. A Wimbledon, viene però eliminata al primo turno dalla ripescata Cornet mostrando ancora limiti fisici e psicologici. Si riprende alla grande al Tier II di San Diego dove raggiunge i quarti battendo Šafářová e Janković, per poi soccombere alla forza della russa Elena Dement'eva. Continua il suo buono stato di forma a Los Angeles, dove ancora raggiunti i quarti si ferma di fronte dalla Ivanović. Agli US Open, dopo aver sconfitto la Srebotnik al II turno ha la strada spianata fino agli ottavi ma viene sorprendentemente battuta dalla Vakulenko al III turno. Il finale di stagione è ottimo. Vince il secondo titolo della carriera a Calcutta dominando in finale la Koryttseva, mentre a Seul è sconfitta nell'atto conclusivo da Venus Williams per 6-4, mostrando comunque buoni segnali di ripresa dopo un inizio d'anno disastroso.
2008
Nel 2008 conferma i progressi dell'annata precedente. Raggiunge i quarti ad Auckland e agli ottavi agli Australian Open battendo la connazionale top-10 Čakvetadze prima di arrendersi in tre set, non senza qualche rimpianto, a Daniela Hantuchová per 6-4 al terzo. Ad aprile, vince il terzo titolo della carriera all'Estoril battendo in finale la Benesová. Anche al Tier I di Berlino si comporta bene, dove viene sconfitta al III turno dalla n.5 del ranking Jelena Janković. Anche a Roma gioca un ottimo torneo, dove si deve arrendere agli ottavi ancora dalla Janković. Dopo essere stata sconfitta al secondo turno al Roland Garros dalla Zheng, Marija si riscatta subito conquistando il secondo titolo della stagione e il quarto della carriera a Barcellona. Purtroppo, forse dovuta anche dalla mancanza di preparazione sull'erba, la Kirilenko esce subito di scena a Wimbledon. Dopo i quarti a Portorose, la russa esce di scena al II turno al Tier I di Montréal contro la wild-card canadese Stephanie Dubois. Al Tier III di Cincinnati, decide di prendere una rivincita sulla Dubois al secondo turno e batte la Lisicki ai quarti, mentre in semifinale esce contro Nadia Petrova. Agli US Open, appagata dalla stanchezza accumulata nelle settimane precedenti, perde all'esordio contro la Paszek per 6-4 al terzo set. A settembre vince il torneo di Seul, il quinto della carriera e il terzo dell'anno battendo in finale la Stosur per 2-6 6-1 6-4. Al Tier I di Zurigo esce di scena al secondo turno contro Schiavone. A Linz anche qui viene sconfitta al II turno, questa volta dalla Cornet.
2009
Agli Australian Open 2009 è sconfitta al primo turno da Sara Errani. A marzo perde al primo turno al BNP Paribas Open 2009. Al Sony Ericsson Open 2009 esce al II turno contro Flavia Pennetta. Al Barcelona Ladies Open 2009 raggiunge la finale, perdendola contro l'italiana Roberta Vinci. All'Estoril Open 2009 esce nei quarti contro la connazionale Ekaterina Makarova. Agli Open di Francia 2009 esce di scena già al primo turno contro la giovane Rogowska, mentre al Torneo di Wimbledon 2009 perde al II turno dalla Wozniacki. Allo Swedish Open 2009 è sconfitta dalla Wozniacki ai quarti. La stagione americana si apre con il secondo turno a Stanford perso contro la Dement'eva. Ai Premier 5 di Cincinnati e Toronto non raccoglie buoni risultati. All'US Open 2009 elimina al secondo turno la Radwańska, mentre al III turno si arrende alla cinese Li. A Seul si presenta come la campionessa uscente, ma viene sconfitta in semifinale dalla Date-Krumm. Al torneo di casa, la Kremlin Cup di Mosca torneo di categoria Premier, batte ai primi due turni Radwańska e Wozniak, perdendo poi ai quarti dalla Schiavone.
2010
Il 2010 inizia bene. Raggiunge i quarti nel torneo di Auckland e i quarti all'Australian Open battendo Marija Šarapova e approfittando del ritiro di Dinara Safina. La Kirilenko viene sconfitta al terzo turno del torneo di Miami dalla forte danese Caroline Wozniacki. Agli Internazionali d'Italia 2010 la russa batte al primo turno l'italiana Romina Oprandi, al secondo turno la connazionale Svetlana Kuznecova e al terzo turno la slovacca Dominika Cibulková prima di cedere ai quarti di finale contro la numero 1 del mondo Serena Williams. Al Roland Garros 2010 a Marija Kirilenko viene assegnata la testa di serie numero 30. Al primo turno batte Karolina Šprem in due set, al secondo turno mette k.o. Yvonne Meusburger con un doppio 6-3, al terzo turno ha la meglio su Svetlana Kuznecova in tre set per 6-3 2-6 6-4, al quarto turno cede alla futura campionessa Francesca Schiavone. Al Torneo di Wimbledon 2010 viene sconfitta al terzo turno dalla belga Kim Clijsters. Alla Bank of the West Classic 2010 viene superata nei quarti dalla polacca Agnieszka Radwańska per 7-5 6-0. Al Pilot Pen Tennis 2010 raggiunge la semifinale persa contro la connazionale Nadia Petrova per 2-6 6-2 6-2. Agli US Open 2010 batte nei primi due turni Barbora Záhlavová-Strýcová e Yvonne Meusburger, per poi arrendersi a Svetlana Kuznecova che si vendica delle due sconfitte patite sulla terra rossa. Al Toray Pan Pacific Open 2010 perde al II turno contro Flavia Pennetta per 6-3 4-6 6-3. La settimana seguente, al China Open 2010, viene sconfitta da Vera Zvonarëva al terzo turno con il punteggio di 5-7 6-4 6-2. Alla Kremlin Cup 2010, ultimo torneo della Kirilenko disputato dell'anno, raggiunge facilmente la finale. Qui incontra Viktoryja Azaranka che domina in finale Marija grazie a forza fisica e mentale. Si chiude così un 2010 pieno di soddisfazioni, dove ha raggiunto il primo quarto di finale Slam ed è rientrata nella Top-20 per la prima volta dal 2008.
2011
Agli Australian Open esce di scena al secondo turno contro la Benesová. A marzo, perde al terzo turno ad Indian Wells e Miami perdendo ambo le volte dalla Radwańska. Sulla terra si Strasburgo raggiunge i quarti perdendo da Andrea Petković. Al Roland Garros viene sconfitta al quarto turno ancora dalla Petković per 6-2 2-6 6-4. A Wimbledon perde al terzo turno contro Serena Williams conquistando solo cinque game. A Stanford è ancora la Williams a batterla al secondo turno questa volta in un match più lottato conclusosi per 6-2 3-6 6-2 in favore di Serena. Marija perde al secondo turno a Cincinnati contro Francesca Schiavone per 6-4 al terzo. Agli US Open è sconfitta agli ottavi per mano della Stosur che s'impone 6-2 6-7 6-3, dopo un tie-break del secondo set interminabile che si è concluso per 15-13 per la Kirilenko. A Canton, Marija è sconfitta a sorpresa in finale da Chanelle Scheepers per 7-5 5-7 6-4. Raggiunge poi i quarti a Tokyo battendo Stosur e Ivanović, perdendo poi da Vera Zvonarëva. A Pechino, batte ancora Stosur e poi la Paszek, per poi arrendersi nei quarti dalla Niculescu.
2012