Primogenita di Gerolamo Vittorio Villavecchia, discendente da una famiglia aristocratica piemontese, e di Felicita Bellucci, di origine umbra.
Il padre, professore di chimica, è stato il fondatore della chimica merceologica in Italia, e dal 1896 al 1934 tenne la direzione del Laboratorio chimico centrale delle gabelle. 

Maria fu iscritta nel 1909 alla scuola delle monache del Sacro Cuore, presso Trinità dei Monti, fra il 1913 e il 1921 frequentò il ginnasio-liceo Umberto I.
Di questi anni intellettualmente molto attivi, e illuminati dai primi amori adolescenziali avrebbe poi rievocato, in una pagina giornalistica, "il senso di vita traboccante dei miei sedici anni per il quale mi pareva d'essere chiusa in una mandorla d'immortalità".

Il suo esordio di scrittrice data al 1939, con la nota psicobiografia "Lucrezia Borgia", edita in lingua italiana da Mondadori ed in lingua inglese da Phoenix.

I suoi libri di argomento storico erano principalmente basati su un'accurata ricerca storica, che si avvaleva della consultazione dei documenti originali esistenti, a partire dai quali la Bellonci era abilissima nel ricostruire un ritratto vivido e credibile dei personaggi storici descritti.

La sua opera acquistò così un grande valore divulgativo, diffondendo presso il grande pubblico una versione umanamente attendibile e storicamente documentata, scevra delle numerose leggende accumulatesi nei secoli, di personaggi lontani nel tempo ma molto affascinanti, come i Borgia, gli Este, i Gonzaga, i Della Rovere, oppure Marco Polo, che fu anche oggetto di uno sceneggiato televisivo Rai curato da lei stessa.

Fu all'interno del suo salotto letterario, denominato gli "Amici della domenica", che nacque il Premio Strega, la cui genesi fu rievocata dalla Bellonci in Come un racconto gli anni del premio Strega (1970).
Nel 1979 ha ricevuto il Premio San Gerolamo.
Nel 1986, anno della sua scomparsa, lei stessa vinse il Premio Strega con "Rinascimento privato" (Mondadori), biografia di Isabella d'Este, scritta in forma di romanzo autobiografico e che rappresenta il suo capolavoro.

Dal suo romanzo "Segreti dei Gonzaga" e dal racconto "Delitto di Stato" contenuto in "Tu vipera gentile" è stato tratta nel 1982 la miniserie televisiva Delitto di stato, diretta da Gianfranco De Bosio.