Дочь милиционера пела в школьном хоре. Училась в радиотехническом училище, где организовала квартет, ставший профессиональным под руководством В. Акульшина. Позднее окончила музыкальное училище им. М. П. Мусоргского. Выступала с ансамблем ДК им. Ленсовета.
В 1964 году Пахоменко стала солисткой Ленинградского музыкального эстрадного ансамбля под руководством А. Бадхена и А. Колкера при Ленконцерте. Сценический успех Марии во многом связан с песнями композитора Александра Колкера. Композитор нашел в молодой певице тонкого интерпретатора своих замыслов, актрису вдумчивую, эмоциональную, которой равно удаются и лирические и шуточные песни.
Как шутит Александр Колкер по этому поводу: «Трудно представить, что я эти песни понёс, предположим, Эдите Пьехе. Были бы серьезные осложнения в семье. Кроме того, мне нравится манера пения Марии – очень искренняя, доверительная, очень русская». Также композитор в певице нашел спутницу и супругу в своей жизни: «Я ухватился за эту косу и вот до сих пор не отпускаю».
Первое исполнение своих сочинений певице доверяли и другие ведущие композиторы. Она по-новому исполнила многие песни прошлых лет.
В 1964 году в журнале "Кругозор" на гибких грампластинках были изданы первые записи певицы. За исполнение песни "Опять плывут куда-то корабли" она заняла 1-е место на конкурсе, проведенном в 1964 году радиостанцией "Юность".
В 1968 году артистка была удостоена "Большого приза" на конкурсе грамзаписей МИДЕМ во Франции (приз "Нефритовая пластинка"), а в 1971-м стала первой российской эстрадной певицей, завоевавшей Гран-при на конкурсе "Золотой Орфей" в Болгарии.
С годами певица принесла на эстраду свой стиль исполнения — ей удалось соединить народный характер пения с эстрадным артистизмом. Сложился самобытный сценический облик. Пахоменко всегда поет только «свои» песни, в которых может выразить близкую ей тему — любовь и красоту женщины, благородство, достоинство. Отсюда особая чистота и правдивость ее интонаций.
В 1980-х годах работала ведущей на ленинградском телевидении в цикле программ "Приглашает Мария Пахоменко". Многие годы гастролировала по СССР и за рубежом.
Снялась в нескольких музыкальных фильмах: "Город и песня" (1968), "Адрес песен — молодость" (1968), "Бушует "Маргарита" (1970), "Москва в нотах" (1972), "Любовь останется" (1975) и других.
Мало кто знает, что в начале 70-х певица могла сняться в кино. Да еще и в таком выдающемся, знаковом фильме, как «Семнадцать мгновений весны». Предложение поступило, когда Мария Пахоменко находилось на гастролях. Пахоменко: "И вот в разгар гастролей раздается звонок и Лиознова говорит: “Я вас приглашаю сняться в этом фильме.
Поверьте мне, что это будет очень хороший фильм, Вы там должны будете сыграть жену Штирлица. А Штирлица сыграет Вячеслав Тихонов”. У меня прямо сердце в пятки. Она сказала “многосерийный фильм”. Она какое-то такое слово сказала,что меня остановило. Я сказала, что вы меня извините, мне, конечно, очень хочется, но я не могу. Она забыла сказать слово “эпизод”, о чем я сожалею всю жизнь. Она мне потом сказала: “Хотели только ваше лицо».
Из многочисленных произведений Пахоменко среди самых известных: "Стоят девчонки", "Школьный вальс", "Это не секрет" (с ансамблем "Поющие гитары"), "В день свадьбы", "Песня о добром человеке", "Яблочко румяное", "Тихие города", "Над рекою печальная звездочка повисла". В период с 1964 года по 2000 год записи выступлений Пахоменко были изданы миллионными тиражами на гибких грампластинках, дисках-гигантах, аудиокассетах и компакт-дисках.
С мужем, Александром Колкером прожили более 50-ти лет. У них дочь — Наташа, режиссер и сценарист; внучка — Мария Пахоменко-младшая. С начала 80-х годов дочь Наташа принимала участие в концертах Марии Пахоменко.
Всесоюзная студия грамзаписи «Мелодия» вплоть до 1984 года выпускает грампластинки певицы. Песни в исполнении Марии Пахоменко записаны на десять дисков – гигантов.
В 1999 году певице Марии Пахоменко присвоено звание Народной артистки Российской Федерации.
В 2002 году в серии «Имена на все времена» выходит компакт — диск с лучшими песнями певицы, а 2005 году в серии «Золотая мелодия» вышел очередной компакт – диск «Любовь останется».
8 марта 2013 года в Санкт-Петербурге в возрасте 75 лет в больнице от воспаления легких Мария Пахоменко умерла.
По словам родственников певицы, Марии Пахоменко стало очень плохо утром в пятницу, 8 марта. Врачи, приехавшие домой к певице, настояли на ее срочной госпитализации. Марию Пахоменко поместили в реанимацию, но спасти ее не удалось. В 18.30 знаменитая певица скончалась.
Похоронена в Комарово.