Майя Кристалинская родилась в Москве. Во время учёбы в школе занималась в детском хоре Центрального дворца железнодорожников, которым руководил И. Дунаевский. После окончания школы в 1950 году поступила в Московский авиационный институт. В институте она занималась в художественной самодеятельности. После окончания института она уехала по распределению в Новосибирск и работала в авиационном конструкторском бюро. После окончания срока работы по распределению вернулась в Москву и стала работать в КБ А. Яковлева.
В 1957 году Майя Кристалинская стала лауреатом Московского международного фестиваля молодёжи и студентов, на котором выступала с самодеятельным ансамблем «Первые шаги» под руководством Ю. Саульского. В том же году она вышла замуж за писателя Аркадия Арканова. Брак был недолгим и вскоре распался. В 1960 году она записала песню Маши для кинофильма «Жажда» и с выходом фильма стала популярна в СССР. Она много гастролировала по стране, работала с джаз-оркестрами Эдди Рознера и Олега Лундстрема, тиражи пластинок с исполняемыми ею песнями быстро раскупались.
В возрасте 29 лет врачи обнаружили у неё тяжёлую болезнь — опухоль лимфатических желез (лимфогранулематоз). Она прошла тяжёлый курс лечения, но с тех пор ей приходилось выходить на сцену с косынкой на шее, чтобы скрыть следы болезни от зрителей. В 1966 году Майя Кристалинская была признана лучшей эстрадной певицей года. В начале 70-х после песни «В нашем городе дождь» на новогоднем «Голубом огоньке» руководство телевидения обвинило певицу в пропаганде грусти. По телевидению её практически перестали показывать, хотя гастроли по стране продолжались. В 1974 году ей было присвоено звание «Заслуженная артистка РСФСР». В последние годы жизни она переводила с немецкого языка книгу Марлен Дитрих «Размышления». Книга вышла в СССР уже после смерти Майи Кристалинской. В 1984 году у Майи Кристалинской резко ухудшилось состояние здоровья и в среду 19 июня 1985 года она скончалась. Похоронена на Донском кладбище в Москве.