Née en 1983, Marie Vermeulin se forme auprès de personnalités musicales telles que Marie-Paule Siruguet au Conservatoire à rayonnement régional de Boulogne-Billancourt ou Hortense Cartier-Bresson au Conservatoire national supérieur musique et danse de Lyon. Elle se perfectionne parallèlement auprès de Lazar Berman, qui l’accueille chaleureusement en Italie, puis auprès de Roger Muraro, bénéficiant ainsi de la connaissance profonde du pianiste pour l’œuvre du XXe siècle français.
En 2004, elle remporte le premier prix du Tournoi international de Musique (Rome), en 2006, le deuxième prix au Concours international Maria-Canals (Barcelone), puis en 2007 le deuxième prix du Concours International Olivier Messiaen (Paris). Elle est également lauréate en 2009 du Prix international Pro Musicis, association qui vise à offrir des moments musicaux à un public n'ayant pas la possibilité de se rendre à des concerts classiques.
Soutenue par plusieurs fondations (Fondation Safran pour la musique, Mécénat musical Société générale...) et par l'Institut français pour des tournées à l'étranger, Marie Vermeulin a su imposer en peu de temps un jeu remarqué pour sa témérité technique, sa finesse de timbres et sa maturité.
En novembre 2014, l’ensemble de sa carrière a été récompensé par l’Académie des beaux-arts avec le prix d’interprétation de la Fondation Simone et Cino Del Duca.
Marie Vermeulin est l’invitée de nombreux festivals et salles de premier plan, tels que l’Opéra et la Philharmonie de Paris, le Théâtre des Champs-Élysées, la Scala-Paris, le Théâtre des Bouffes du Nord, l’Opéra de Limoges, l'Opéra de Saint-Étienne, la salle Molière à Lyon, le Centre Pompidou-Metz, le Nouveau Siècle de Lille, les Scènes nationales de Tarbes, Cherbourg, Arras, Évry, Besançon, Châteauroux... ou encore les festivals Musica à Strasbourg, Messiaen au pays de la Meije, Piano Folies, Nohant Festival Chopin, Lisztomanias, Chambord, Lille Pianos Festival…
À l’étranger, Marie Vermeulin se produit au Circulo de Bellas Artes/Teatro Real de Madrid, au Palau de la Música de Barcelone, aux Festivals de Monopoli et Bari (Italie), au Gasteig de Munich, au Wigmore Hall de Londres, en Chine, Turquie, Lituanie, Algérie, Moldavie, au Monténégro, au Liban, en Asie du sud-est (Vietnam, Indonésie, Philippines) ou à New York (consulat de France).
Marie Vermeulin a interprété notamment les Oiseaux exotiques de Messiaen avec l'Ensemble intercontemporain (direction Pierre Boulez), le concerto de Clara Schumann avec l’Orchestre de l’Opéra de Toulon, le Dix-septième Concerto de Mozart avec l'Orchestre de chambre de Wallonie, le Concerto en sol de Ravel avec l'Orchestre symphonique de Mâcon, le Cinquième Concerto de Beethoven et le Deuxième Concerto de Brahms avec l’Orchestre philharmonique du Liban…
Passionnée par la musique contemporaine, elle travaille en étroite collaboration avec des compositeurs d’aujourd’hui tels Tristan Murail, François Meïmoun, Thierry Pécou, Alain Louvier, George Benjamin, François-Bernard Mâche, Marco Stroppa, Jérôme Combier ou Pierre Boulez.
En 2008, Universal/Deutsche Grammophon demande à Marie Vermeulin de participer à son intégrale Messiaen. En 2013 paraît son premier disque solo, très remarqué : consacré à Olivier Messiaen, ce CD (Paraty) a reçu notamment un ffff de Télérama. Son disque Debussy sorti en 2016 (Printemps des arts de Monte-Carlo) a été lui aussi salué unanimement par la presse spécialisée. Son dernier CD, consacré à Clara et Robert Schumann (Paraty), paru en 2019, et a reçu le Clic de Classicnews, ainsi que les ***** de rbb Kultur en Allemagne.