Ze względu na charakter pracy Williama Tharpa rodzina często się przeprowadzała aż do jego przejścia na emeryturę w 1931. Marie uczęszczała do ponad 17 różnych szkół publicznych w Alabamie, Iowie, Michigan i Indianie. Jej matka, która zmarła, gdy Marie miała 15 lat, była jej najbliższą przyjaciółką. Pełny rok szkolny spędzony we Florence w Alabamie miał na Marie szczególny wpływ. Uczęszczała na zajęcia, na których prezentowano aktualne osiągnięcia naukowe. W weekendy uczestniczyła w szkolnych wycieczkach terenowych, podczas których badano drzewa i skały.
Po przejściu ojca na emeryturę Marie Tharp przeniosła się na farmę w Bellefontaine, gdzie ukończyła lokalne liceum. W 1939 rozpoczęła studia na Uniwersytecie Ohio. Często zmieniała kierunek studiów. Ukończyła studia w 1943, uzyskując tytuł licencjata z anglistyki i muzyki oraz cztery specjalizacje. Potem uczęszczała na zajęcia z geologii naftowej na Uniwersytecie Michigan w Ann Arbor. W 1944 uzyskała tytuł magistra nauk przyrodniczych.