Marina Foïs est la fille d'une psychologue et d'un chercheur en physique thermo-nucléaire. Elle s’intéresse à la comédie dès l’enfance et commence à suivre des cours d’art dramatique à l’âge de 7 ans. Après avoir été notamment formée au Cours Florent, elle rejoint en 1996 la troupe comique "The Royal Imperial Green Rabit Company", composée d'élèves du Cours Florent de la classe d'Isabelle Nanty. Rebaptisée "Les Robins des Bois", celle-ci est remarquée par Dominique Farrugia qui lui permet de jouer dans La Grosse Emission sur Comédie !. Les Robins des Bois apparaissent ensuite régulièrement sur Canal+, leur permettant de toucher une audience plus large et de devenir une référence dans le nouveau paysage comique français. 

Si Marina Foïs apparaît pour la première fois sur grand écran en 1994 dans Casque bleu de Gérard Jugnot, suivi de petits rôles dans les comédies Serial lover (1998) et Trafic d'influence (1999), c’est en 2001 qu’elle décroche son premier grand rôle au cinéma dans La Tour Montparnasse infernale. Propulsée par le succès des Robins des Bois, elle enchaîne avec deux autres comédies : Astérix et Obélix : mission Cléopâtre (2002) et Le Raid (id.). 

En 2003, elle tourne à deux reprises sous la direction de Claude Duty : Filles perdues, cheveux gras, où elle partage la vedette avec Amira Casar et Olivia Bonamy, et Bienvenue au gîte, où son personnage s'adapte difficilement à la vie rurale. Après avoir retrouvé la joyeuse troupe des Robin des Bois pour la comédie préhistorique RRRrrrr !!! (2004), la pétillante actrice poursuit sa carrière solo en jouant Un petit jeu sans conséquence (id.) pour Bernard Rapp et en grattant Un ticket pour l'espace (2006) pour Kad & O.

En 2007, elle s'offre un rôle à contre-emploi, celui d'une mère de famille désespérée, dans le très noir Darling de Christine Carrière, qui lui vaut sa première nomination aux César. Elle continue de s’affranchir de l’image comique de ses débuts avec l'adaptation d'un roman de Flaubert, Un cœur simple, portée par Sandrine Bonnaire, puis en 2009 avec Non ma fille, tu n'iras pas danser de Christophe Honoré, où elle côtoie Chiara Mastroianni. Consolidant de plus en plus son talent, Marina Foïs est sollicitée par une nouvelle génération de réalisateurs, d’Antony Cordier (Happy Few, Gaspard va au mariage) à Hélier Cisterne (Vandal en 2013) en passant par son confrère Roschdy Zem (Bodybuilder en 2014). 

Devenue l’une des actrices les plus populaires du cinéma français depuis les années 2010, elle se montre aussi à l’aise dans la comédie populaire (Boule & Bill, Papa ou maman et sa suite, Le Grand Bain) que dans un registre plus ambigu, en flic à fleur de peau dans Polisse, en héroïne amorale d’Irréprochable ou en romancière fascinée par un adolescent violent dans L’Atelier. Ces trois derniers rôles lui permettront d’ailleurs d’être nommée au César de la meilleure actrice.

En parallèle à sa carrière au cinéma, elle continue de s’illustrer sur les planches notamment dans Une maison de poupée d'Henrik Ibsen, mise en scène par Jean-Louis Martinelli, et Les Idoles de Christophe Honoré, pièce pour laquelle elle remporte un Molière en 2019. Elle revient aussi à la télévision dans les mini-séries 3 X Manon et sa suite, Manon 20 ans, où elle est une mère vampirisante, ainsi que dans la série politique Les Sauvages.

Après avoir été à l’affiche en 2020 du controversé Énorme, Marina Foïs relève le défi en 2021 d’être maîtresse de cérémonie des César dans un contexte particulier : en raison de la crise sanitaire, seuls les nommés, les remettants et les personnalités honorées sont conviés. Très active, elle joue une aide soignante tombant amoureuse d'un migrant iranien dans Ils sont vivants, une bouchère vendant de la viande humaine dans Barbaque et la courageuse femme de Denis Ménochet dans As bestas. Elle se voit aussi confrontée à un squale tueur dans L'Année du requin et incarne une femme dirigeant l’Observatoire Volcanologique de Guadeloupe dans le film catastrophe Magma. Côté séries, elle campe la candidate écoféministe à la présidentielle dans En place et une redoutable tueuse dans Furies pour Netflix.