Nata in Argentina da genitori italiani, a soli nove mesi venne riportata in Italia dalla madre, rimasta sola a seguito di una malattia psichiatrica del marito. Si stabilirono a Roma, dove sua madre si risposò con un ufficiale dei Carabinieri. A 16 anni, mentre stava frequentando la quinta ginnasio, venne notata dal regista Pietro Francisci, che le propose la partecipazione ad un cortometraggio. A seguito di tale piccolo ruolo, ricevette una proposta di Amleto Palermi per partecipare nel 1933 a un film a soggetto.
Dopo alcune piccole parti (tra cui quella della timida ragazza ingannata dall'anziano spasimante in Treno popolare, diretto nel 1933 da Raffaello Matarazzo), nel 1934 arrivò al grande successo con il film Seconda B di Goffredo Alessandrini, in cui interpretò una studentessa che – con crudele civetteria d'adolescente – gioca uno scherzo a un non più giovanissimo professore. Il film ottenne un grandissimo successo, cui seguirono numerose interpretazioni che le consentirono di affermarsi come diva del cinema italiano durante il ventennio fascista. L'attrice infatti prese parte a numerose commedie del cosiddetto filone dei telefoni bianchi, nelle quali interpretò spesso ruoli di trovatella, giovane cameriera o maestrina. Tra le numerose pellicole di genere brillante che la videro protagonista: Napoli d'altri tempi (1938) di Amleto Palermi, Belle o brutte si sposan tutte... (1939) di Carlo Ludovico Bragaglia e Addio giovinezza! (1940) di Ferdinando Maria Poggioli.
Durante la guerra, per salvare dal carcere il regista Luchino Visconti, l'attrice accettò le attenzioni del torturatore Pietro Koch. La sua relazione con Koch diede adito a sospetti sul suo conto. Il regista, che era realmente impegnato nelle attività clandestine della resistenza milanese, venne in seguito liberato, ma interruppe ogni rapporto con la Denis: in séguito negherà ripetutamente il ruolo della Denis nella sua liberazione.
Dopoguerra e ritiro
Maria Denis al MICS nel 2000
Nel 1946, mentre stava girando il film Cronaca nera, Maria Denis venne prelevata dalla polizia e trattenuta nella questura di Roma per quattordici giorni, accusata di collaborazionismo e di essere stata l'amante di Koch, ma poi fu riconosciuta subito innocente.[1] Delusa e amareggiata, negli anni seguenti diraderà le sue apparizioni cinematografiche e, dopo una breve partecipazione al film a episodi Tempi nostri (1954) di Alessandro Blasetti, decise di ritirarsi dal cinema per dedicarsi alla famiglia, alla poesia e alla pittura.
Nel 1995 pubblicò una lucida quanto disincantata autobiografia, dal titolo Il gioco della verità, in cui raccontava il suo rapporto con Visconti:
«Visconti non fece mai minimamente cenno al fatto che io gli avevo salvato la vita. La sua ingratitudine è stata la mia delusione più grande»
Il 18 ottobre 2000, a Roma, fu presente, al Museo internazionale del cinema e dello spettacolo (MICS) a Via Portuense101, alla presentazione di una rassegna di suoi film, donando al Museo alcuni vestiti usati per film girati negli anni 40: sarà una delle ultime apparizioni pubbliche. Morì in seguito ad una crisi respiratoria, all'età di 87 anni. La sua salma riposa nel piccolo cimitero di Farnese.
Sua sorella minore, Michela, intraprese anch'ella la carriera d'attrice cinematografica, con lo pseudonimo Michela Belmonte, ma ebbe minor fortuna rispetto alla Denis, tanto che dopo aver girato soli tre film, abbandonò la recitazione e divenne archeologa.