Мария Сергеевна родилась в городе Наволоки Ивановской области. В детстве была озорной и непоседливой, за что получила прозвище "Маша-коза", а во ВГИКе ее прозвали "Мухой" - за вечную суетливость и желание всех пародировать и передразнивать.
В 1943 году Мария закончила актёрский факультет ВГИК (мастерская Г.Л. Рошаля) и стала актрисой киностудии «Союздетфильм».
В 1940 году Виноградова впервые снялась в кино, а вскоре вышла на сцену Театра киноактера, где за ней сразу же закрепилось амплуа травести.В 1957 году актриса сыграла свою лучшую роль в этом жанре - Звездного мальчика в одноименном фильме и спектакле.
В те же годы Мария Виноградова заявила о себе в искусстве дубляжа. Ее голосом заговорили Одри Хепберн, Биби Андерсон, Ева Рутткаи, Софико Чиаурели и многие другие звезды мирового кино. Актриса много работает и в анимации, она озвучивает почти три сотни мультфильмов, среди которых "Трое из Простоквашино", "Ёжик в тумане", "Большие неприятности".
В 1945-1949 и 1952-1991 годы актриса работает в Театре-студии киноактёра. А в период с 1949 по 1952 год становится актрисой труппы Драматического театра группы советских войск в Германии
С начала 70-х годов Виноградова появляется на экране чаще и чаще. Она играет заметные роли в фильмах "Калина красная", "Из жизни отдыхающих", "Трын-трава", а с конца 80-х снимается в год в 5-6 картинах одновременно. Ее лучшими работами становятся роли Федосьи «Ближний круг», Варвары «Сам я вятский уроженец» и Эммы Марковны «Бабочки». В 1994 году Мария Виноградова снимается в роли Аннушки в экранизации "Мастера и Маргариты", однако фильм так и не выходит на экраны.
Мужем Марии Виноградовой был киноактер Сергей Голованов. Их дочь, Ольга Голованова, тоже стала актрисой. Она работала на сцене Театра киноактера, снималась на телевидении, в последние годы дублирует телесериалы.
Среди работ Марии Виноградовой - несколько ролей в зарубежных и совместных постановках. Среди них "Полицейская академия 7. Миссия в Москве", "Жизнь и необычайные приключения солдата Ивана Чонкина", "Трамвай в Москве".
Блистательная характерная актриса, воплотившая на экране более 120 эпизодических образов. Лучшая исполнительница бытовых ролей - уборщиц, нянек, костелянш, тетушек и бабушек. Режиссеры называли Марию Виноградову "самой народной незаслуженной артисткой", а некоторые даже считали ее своим талисманом.
Мария Сергеевна Виноградова умерла 2 июля 1995 года в Москве. Похоронена на Хованском кладбище, рядом с мужем, актёром Сергеем Головановым