Internationale Anerkennung wurde ihr für die Charakterrolle als Lazarettkrankenschwester in "Die letzte Brücke" (1953) zuteil. Für diese Rolle wurde sie auf den Filmfestspielen von Cannes 1954 als beste Schauspielerin gekürt. Weltweit bekannt wurde sie jedoch mit ihrer Rolle in Richard Brooks Verfilmung der berühmten Vorlage von Fjodor M. Dostojewski. In "Die Brüder Karamasow" (1957) war Rolle hatte sie auch an der Seite von Curd Jürgens in der Zuckmayer-Verfilmung "Der Schinderhannes" (1958). Danach spielte sie in weiteren Hollywood-Produktionen wie dem Western "Der Galgenbaum", (1958, Regie: Delmer Daves) mit Gary Cooper, sowie an der Seite von Glenn Ford in dem Western "Cimarron" (1960).
In den Sechzigerjahren widmete sie sich wieder intensiver ihrer Bühnenkarriere und spielte vermehrt im Fernsehen, aber auch immer wieder in internationalen Produktionen wie Guy Greens "Gebrandmarkt" (1960) mit Stuart Whitman oder Philippe de Brocas Komödie "Pack den Tiger schnell am Schwanz" (1968) mit Yves Montand und Jean Rochefort. 1974 wirkte Maria Schell in der deutsch-britischen Co-Produktion "Die Akte Odessa" mit. Hier waren Jon Voight und ihr Bruder Maximilian ihre Partner. Ein Jahr später besetzte sie Claude Chabrol in der Komödie "Die verrückten Reichen".
1976 folgte das "Reise der Verdammten" mit Faye Dunaway, Orson Welles und Max von Sydow, und selbst in "Superman" (1978) sah man sie an der Seite von Marlon Brando und Christopher Reeve. In dem vielfach als Romy Schneiders "Abschiedsfilm" bezeichnete Melodram "Die Spaziergängerin von Sans-Souci" war Maria Schell 1981 in einer Nebenrolle zu sehen. Nach diversen TV-Rollen in den Achtzigerjahren (u. a. in der Dürrenmatt-Verfilmung "Der Besuch der alten Dame") spielte sie schließlich 1996 in "Samson und Delila" (1996) von Nicolas Roeg eine ihrer letzten internationalen Rollen, nachdem sie in dem Mehrteiler "Der Clan der Anna Voss" (1995) in der Titelrolle zu sehen gewesen war. Ihre letzte TV-Rolle spielte sie ebenfalls 1996 in der Düsseldorfer "Tatort"-Episode "Tatort - Heilig Blut".
Die Tochter des Schriftstellers Ferdinand Hermann Schell und der Schauspielerin Margarethe Noe wuchs mit ihren Geschwistern Maximilian, Immy und Carl - alle drei ebenfalls Schauspieler - in der Schweiz auf, nachdem die Familie 1938 vor den Nationalsozialisten aus Wien flüchten musste. Zunächst begann Maria Schell eine kaufmännische Ausbildung, wurde aber bereits im Alter von 16 Jahren ohne darstellerische Erfahrung für einen Film engagiert. Der folgende Schauspielunterricht brachte sie erst auf die Theaterbühne, danach wieder auf die Leinwand. Auch ihr Privatleben war stets mit der Schauspielerei verbunden: ihr erster Ehemann (1957-65) war Regisseur Horst Hachler, 1966 heiratete sie den Regisseur Veit Relin. Ihre gemeinsame Tochter Marie-Therese Relin wurde ebenfalls Schauspielerin.
Die gealterte und bis zu ihrem Tod fast nur noch in Erinnerungen lebende Schauspielerin bewohnte mit ihrem Bruder Maximilian Schell die elterliche Alm. 2002 stellte Maximilian ein bemerkenswertes Porträt von ihr zusammen: "Meine Schwester Maria". Weitere Filme mit Maria Schell: "Der wunderbare Flimmerkasten" (1951), "Solange du da bist" (1953), "Gervaise", "Napoleon", "Die Ratten" (alle 1955), "Rose Bernd" (1956), "Une Vie" (1958), "Raubfischer in Hellas" (1959), "Das Riesenrad" (1961), "Der heiße Tod" (1968), "Der Hexentöter von Blackmoor" (1969), "Die Pfarrhauskomödie" (1971), "So oder so ist das Leben" (1975), "Teerosen" (1977), "Die erste Polka", "Spiel der Verlierer" (beide 1978), "Das Traumschiff" (1982), "König Drosselbart" (1984), "Nach langer Zeit" (1992), "Dr. Berg - Nur das Leben zählt" (1996).