Родилась в семье выходцев из Италии. Ее отец работал оператором на сталелитейном заводе. В детстве она мечтала о карьере оперной певицы, но кроме занятий вокалом девочка уделяла время и школьному театру. В колледже Мэри продолжила учиться оперному искусству. Бросив учебу, принялась ходить на прослушивания в чикагские театры. Результат - роль в бродвейской постановке "Вестсайдской истории".
Успешно исполнив роль Марии в новой версии «Вестсайдской истории», в начале 80-х годов выступала не раз на Бродвее. Играла в Нью-Йорке роли шекспировского репертуара, получила блестящие отзывы за роль Виолы в «Двенадцатой ночи» (1989).
Ее дебют в роли сестры гангстера в фильме «Лицо со шрамом» (Scarface, 1983) Б. Де Пальмы вызвал хорошие отзывы. Исполнение роли подружки двух биллиардистов-авантюристов в «Цвете денег» (The Color Of Money, 1986) принесло Мастрантонио номинацию на «Оскар».
Снялась в триллере «Январский человек» (The January Man, 1989), фантастической картине «Бездна» (The Abyss, 1989) и историко-приключенческом фильме «Робин Гуд, принц воров» (Robin Hood:Prince Of Thieves, 1991), сыграла свою лучшую роль в психологической судебной драме М. Эптида «Коллективный иск» (Class Action, 1991), где ее героиня-адвокат бросает вызов своему отцу.
В этот период Мастрантонио считалась, благодаря своей привлекательной внешности и интеллектуальному имиджу, одной из самых перспективных актрис нового Голливуда.
Выйдя замуж в 1990 году за ирландского режиссера Пэта О'Коннора, она переехала в Лондон, родила двоих детей и занялась их воспитанием.