לבואזיה נולדה לעורך דין. אמה נפטרה בהיותה בת שלוש ובעקבות זאת נשלחה להתחנך במנזר.
לבואזיה קיבלה בגיל שלוש-עשרה הצעת נישואין מגבר בן 50. אביה התנגד להצעה, והעדיף במקום זאת להשיאה לידידו, המדען אנטואן לבואזיה. השניים התחתנו ב-16 בדצמבר 1771, כאשר לבואזיה היה בן 28 ומארי-אן בת 13.
הזוג עבר לאזור פריז ב-1775 שם לבואזיה היה יכול לעסוק באינטנסיביות במדע. בעקבות עבודתו המדעית של בעלה החלה לבואזיה להתעניין במחקריו ולסייע בעבודת המעבדה. היא קיבלה הכשרה פורמלית מעמיתיו וסייעה בתרגום כתבים מאנגלית לצרפתית.
ב-1794 לבואזיה הוקע כבוגד במהפכה הצרפתית. הוא נעצר ונכלא יחד עם אביה. לבואזיה פעלה למען שחרורם. היא הציגה את הישגיו המדעיים של בעלה ואת חשיבותו לאומה הצרפתית. למרות מאמציה, לבואזיה ואביה הורשעו בבגידה והוצאו להורג ב-8 במאי 1794 בפריז.
לאחר מות בעלה, הוחרמו מלבואזיה כספים, רכוש וכמו כן מחברות מדעיות וציוד מעבדה. על אף זאת, הצליחה לבואזיה לשחזר את הכתבים ולפרסם את עבודתו המדעית.
לבואזיה נישאה לפיזיקאי האמריקאי-בריטי בנג'מין תומפסון. היא התעקשה לשמור על שם המשפחה של בעלה הראשון.
לבואזיה נפטרה בביתה בפריז בגיל 78 ונקברה בבית הקברות פר לשז.
תרומה לכימיה
תיאור מחקר נשימה במעבדה. לבואזיה מצוירת יושבת על יד שולחן מצד ימין.
לבואזיה השתתפה בעבודת המעבדה של בעלה ועמיתיו. היא עסקה בתיעוד ניסויים ובעריכת הדו"חות. הכשרתה ברישום על ידי הצייר ז'אק-לואי דויד תרמה לתיאור מדויק של הניסויים. היא שמרה על מרבית הניסויים שנערכו. לתיעוד זה הייתה חשיבות רבה להתפתחות המדע.
עבודת התרגום שלה אפשרה לצוות המעבדה להתעדכן בהתפתחויות בכימיה. הישג שהתבססה על עבודה זו היה גילוי גז החמצן.
לבואזיה סייעה לפרסם ב-1789 תאוריה כימית חדשה פורצת דרך. הפרסום כלל תרשימים פרי ידיה המתארים את הניסויים ואת ציוד המעבדה.
