Τα ερευνητικά ενδιαφέροντα της Μαρίας Πετροπούλου εστιάζουν στον χώρο της Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών και της Αστρονομίας Πολλαπλών Αγγελιοφόρων. Ξεκίνησε την ανεξάρτητη ερευνητική της πορεία το 2014 και αναζητά λύσεις για θεμελιώδη προβλήματα της αστροφυσικής.
Εστιάζει στις διεργασίες ακτινοβολίας σε αστροφυσικά πλάσματα, στις διαδικασίες επιτάχυνσης σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες και παραγωγής νετρίνων. Μελετά τη μη θερμική ακτινοβολία που παράγεται από αστροφυσικές εκροές, όπως οι κοσμικές ακτίνες και τα αστροφυσικά νετρίνα υψηλής ενέργειας, καθώς και τους μηχανισμούς επιτάχυνσης σωματιδίων υψηλής ενέργειας σε ισχυρούς αστροφυσικούς πίδακες. Στοχεύοντας στον συνδυασμό της θεωρίας με τις παρατηρήσεις, διατυπώνει μοντέλα και προβλέψεις που μπορούν να ελεγχθούν με βάση το πλήθος των δεδομένων σε όλο το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Γεννήθηκε το 1985 και μεγάλωσε στην Αθήνα.
Έλαβε πτυχίο Φυσικής το 2008, μεταπτυχιακό δίπλωμα στην Αστροφυσική το 2010 και διδακτορικό δίπλωμα (Ph.D.) με Άριστα στις Φυσικές Επιστήμες από το Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ το 2013. Στη συνέχεια πραγματοποίησε μεταδιδακτορική έρευνα στο Πανεπιστήμιο Purdue (ΗΠΑ) ως Einstein Fellow (2013-2016) και ως μεταδιδακτορική συνεργάτιδα (2016-2017), και στο Πανεπιστήμιο Princeton (ΗΠΑ) ως Lyman Spitzer Postdoctoral Fellow (2017-2020). Από το 2020 εργάζεται ως Επίκουρη Καθηγήτρια στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ.
Βραβεύτηκε το 2015 από την Ελληνική Αστρονομική Εταιρεία και το 2016 από το ελβετικό ίδρυμα MERAC για τη διδακτορική της διατριβή με θέμα τη μελέτη ακτινοβολιακών ασταθειών και επιτάχυνσης σωματιδίων σε αστροφυσικά πλάσματα με εφαρμογές στους πίδακες ενεργών γαλαξιών και εκλάμψεων ακτίνων γάμμα. Το 2021 βραβεύτηκε με το ελληνικό βραβείο L'Oreal-UNESCO για τις Γυναίκες στην Επιστήμη.
Το 2021 έλαβε χρηματοδότηση ύψους 100.000€ από το ίδρυμα MERAC και το 2022 της απονεμήθηκε χρηματοδότηση ύψους ~199.000C από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας και Καινοτομίας για την εκπόνηση έρευνας στο πεδίο Αστρονομίας Πολλαπλών Αγγελιοφόρων.
Έχει δημοσιεύσει 97 άρθρα σε περιοδικά με κριτές, ~3.700 αναφορές και h-index 33.
Από το 2022 είναι εκλεγμένο μέλος του Διοικητικού Συμβουλίου της Ελληνικής Αστρονομικής Εταιρείας (ΕΛ.ΑΣ.ΕΤ.) και τελεί χρεη Γραμματεως.
Κατοικεί στην Αθήνα με τον σύζυγό της, Γιώργο Βασιλόπουλο, Αστροφυσικό και Επίκουρο Καθηγητή στο ΕΚΠΑ.