Marie-Odile Boulnois a étudié en hypokhâgne et khâgne au lycée Condorcet à Paris et a intégré l’École Normale Supérieure de Sèvres en 1982. Après deux licences, de lettres classiques et d'histoire, à l’Université Paris IV, elle a préparé sa maîtrise de lettres classiques à l’Université Paris IV (1984) sous la direction de Marguerite Harl, passé son agrégation de lettres classiques (1985) et s’est formée à l'École Pratique des Hautes Études en préparant un DEA (1986).

En 1993, elle a soutenu son doctorat à l'École Pratique des Hautes Études sous la direction d'Alain Le Boulluec, puis son Habilitation à diriger des recherches à l’Université Paris IV en 2001 sous la direction d'Olivier Munnich. Elle a été Assistante Normalienne Doctorante en lettres classiques à l’Université de Lille III (1987-1991), puis Maître de Conférences (1994-2002) et Professeur (2002-2006) de grec à l’Université de Nantes.

Depuis 2006, elle est Directrice d’études à l’École Pratique des Hautes Études sur la chaire de « Patristique grecque et histoire des dogmes ». Elle travaille sur la littérature chrétienne de l’Antiquité tardive, en étudiant l’histoire de l'élaboration des doctrines théologiques (trinitaires et christologiques), les enjeux du recours à la philosophie, les controverses entre paganisme et christianisme, la réception chrétienne antique de la Bible.

Elle est spécialiste de l’œuvre de Cyrille d'Alexandrie dont elle a traduit plusieurs ouvrages dans la collection des Sources chrétiennes.