Fille de la chanteuse Minnie Riperton et du producteur musical Dick Rudolph, sœur cadette de l'ingénieur en musique Marc Rudolph, Maya Rudolph décroche un diplôme en photographie de l'université californienne de Santa Cruz en 1994.

En parallèle elle forme le groupe étudiant Supersauce dont elle est chanteuse, qu'elle quitte pour The Rentals, pour lequel elle chante et joue aux claviers (1994-99), avant de rejoindre le groupe d'improvisation The Groundlings.

Elle traverse en parallèle le petit écran, pour un rôle récurrent dans « Chicago Hope » (1996-97), puis apparaît dans les téléfilms « La Malédiction de Nikki » de Bobby Roth (1997), « True Love » de Michael Lembeck (1999), et dans les séries « Action » (1999), « Undressed » (1999) et « City of Angels » (2000).

Mais surtout, elle intègre le délirant SATURDAY NIGHT LIVE (2000-2010), où elle fait sensation dans de multiples personnages, dont des parodies de Donatella Versace, Christina Aguilera, Oprah Winfrey, Whitney Houston et Michelle Obama.

Dès ses vingt-cinq ans, on la remarque aussi au cinéma, dans des petits rôles de BIENVENUE À GATTACA d'Andrew Niccol (1997), POUR LE PIRE ET POUR LE MEILLEUR de James L. Brooks (1998), et dans DUOS D'UN JOUR de Bruce Paltrow (2000) avec sa copine Gwyneth Paltrow, dont elle supervise la musique avec son père Dick.

Elle brille dans de nombreuses comédies : CHUCK & BUCK de Miguel Arteta (2000) avec Mike White et Christ Weitz, UN DUPLEX POUR 3 de Danny DeVito (2003) avec Ben Stiller et Drew Barrymore, WAKE UP, RON BURGUNDY : THE LOST MOVIE d'Adam McKay (2004) avec Will Ferrell, IDIOCRACY de Mike Judge (2006) avec Luke Wilson, AMOUR & AMNÉSIE de Peter Segal (2004) et COPAINS POUR TOUJOURS de Dennis Dugan (2010, photo) avec Adam Sandler.

Et avec sa copine Kristen Wiig dans MACGRUBER de Jorma Taccone (2010), MES MEILLEURES AMIES de Paul Feig (2011) et FRIENDS WITH KIDS de Jennifer Westfeldt (2012).

Elle défend des courts métrages (PROP 8 : THE MUSICAL, Adam Shankman, 2008), prête sa voix pour SHREK 3 (Chris Miller, Raman Hui, 2007), ZOOKEEPER (Frank Coraci, 2011) et traverse les séries CAMPUS LADIES (2006), BOLLYWOOD HERO (2009) et KATH & KIM (2008-09) avec Selma Blair et Molly Shannon.

Elle montre d'autres facettes de son talent dans le rétro musical et choral THE LAST SHOW de Robert Altman (2006) et en tête de la chronique nomade et existentielle AWAY WE GO de Sam Mendes (2009) avec John Krasinski.

Elle vit avec le réalisateur Paul Thomas Anderson, père de ses deux enfants.