С 1932 года — лаборантка аэронавигационной лаборатории Военно-воздушной академии имени Н. Е. Жуковского. В 1934 году окончила Ленинградский институт инженеров гражданского воздушного флота, стала штурманом. В 1935 году окончила школу лётчиков при Центральном аэроклубе. Продолжала работу в Военно-воздушной академии имени Н. Е. Жуковского в должности инструктора-лётнаба.
В 1937 году в качестве штурмана участвовала в установлении мирового авиационного рекорда дальности на самолёте АИР-12; в 1938 году — в установлении двух мировых авиационных рекордов дальности на гидросамолёте МП-1.
24-25 сентября 1938 года на самолёте АНТ-37 «Родина» (командир — В. С. Гризодубова, второй пилот — П. Д. Осипенко) совершила беспосадочный перелёт Москва — Дальний Восток (село Керби) протяжённостью 6450 км (по прямой — 5910 км). При вынужденной посадке по приказу Гризодубовой выпрыгнула с парашютом в тайгу, имея всего две плитки шоколада в кармане, и была найдена только через 10 суток. В ходе перелёта был установлен женский мировой авиационный рекорд дальности полёта.
За выполнение этого перелёта и проявленные при этом мужество и героизм 2 ноября 1938 года Расковой Марине Михайловне присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина, а после учреждения знака особого отличия ей была вручена медаль «Золотая Звезда» № 106.
Когда началась Великая Отечественная война, Раскова использовала своё положение и личные контакты со Сталиным, чтобы добиться разрешения на формирование женских боевых частей. Её поддержали тысячи советских женщин, которые стремились попасть на фронт, чтобы изгнать захватчиков с территории своей Родины.
В конце октября 1941 года с одобрения Ставки ВГК (приказ НКО СССР № 0099 от 08.10.41) и с поддержкой ЦК ВЛКСМ в городе Энгельс на Волге она сформировала авиагруппу из трёх женских авиаполков: 586-го истребительного (Як-1), 587-го бомбардировочного (Пе-2) и 588-го ночного бомбардировочного (По-2), которая носила неофициальное название «Ночные ведьмы». Позднее Раскова была назначена командиром 587-го бап.
Во время войны 587-й бап был переименован в 125-й гвардейский пикировочно-бомбардировочный авиационный имени Марины Расковой Борисовский орденов Суворова и Кутузова полк.
4 января 1943 года Марина Михайловна Раскова погибла в авиакатастрофе близ Саратова, недалеко от села Михайловка Саратовского района, в сложных метеоусловиях при перелёте на фронт после переформирования.
После смерти была кремирована, прах помещён в урне в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве.