В семье её называли Машенька, Мари, Мэри. У Марии был талант к рисованию, она хорошо делала наброски, используя для этого левую руку, но у неё не было интереса к школьным занятиям. Когда Мария подросла, многие отмечали, что эта юная девушка ростом и силой пошла в дедушку — императора Александра III. Преподаватель английского языка Чарльз Сидней Гиббс рассказывал, что в 18 лет она была удивительно сильна, и иногда ради шутки легко поднимала его от пола.
Мария с детства отличалась добродушием и спокойствием. Как отмечал Пьер Жильяр: «Вкусы её были очень скромны, она была воплощённой сердечностью и добротой; сёстры, может быть, немного этим пользовались». Как-то четырнадцатилетняя сестра Ольга смогла убедить Марию, чтобы та написала матери письмо, прося, чтобы Ольге дали отдельную комнату и разрешили удлинить платье.
Маленькая Мария иногда мучилась тем, что она может быть нелюбима своими старшими красавицами-сёстрами, и в письмах делилась своими переживаниями с матерью. Александра Фёдоровна старалась ободрить и успокоить дочь: «Моя дорогая Машенька! Твоё письмо меня очень опечалило. Милое дитя, ты должна пообещать мне никогда впредь не думать, что тебя никто не любит. Как в твою головку пришла такая необычная мысль? Быстро прогони её оттуда! Мы все очень нежно любим тебя, и, только когда ты чересчур расшалишься, раскапризничаешься и не слушаешься, тебя бранят, но бранить не значит — не любить. Наоборот, это делают для того, чтобы ты могла исправить свои недостатки и стать лучше! Ты обычно держишься в стороне от других, думаешь, что ты им мешаешь, и остаёшься одна с Триной (чтица императрицы Екатерина Шнейдер —
Среди младших детей царской семьи Мария являлась самой взрослой, поэтому со временем, когда императрице приходилось уезжать вместе со старшими дочерьми, то на Марию возлагалась обязанность присматривать за Анастасией и Алексеем. «Моя дорогая Мария, ты прочитаешь это, когда мы уедем. Очень печально оставлять вас, троих малышей, и я буду постоянно о вас думать. Ты в этой группе старшая и поэтому должна хорошо присматривать за младшими», — наставляла дочь Александра Фёдоровна.
Мария очень любила детей. По воспоминаниям окружающих, «она была по натуре типичнейшая мать. Её сферой были маленькие дети. Больше всего она любила возиться и нянчиться с ними».
Внутренний мир Марии был всегда окрашен ярким и тёплым религиозным чувством. Чувство религиозности было естественным, просто выросшим из младенчества и осталось на всю короткую и яркую жизнь Великой княжны глубоко и искренне переживаемым.
С матерью-другом всегда можно было всем поделиться, даже сокровенными мыслями: «Знаешь, это очень странно, но, когда я вышла из комнаты Алексея после молитвы, у меня было такое чувство, как будто я пришла с исповеди… такое приятное, небесное ощущение».
Игумен Серафим (Кузнецов) в книге «Православный Царь-мученик» с любовью рисует портрет Марии: «Великая Княжна Мария Николаевна унаследовала во всех отношениях, как внешних, так и внутренних, все качества своего деда Императора Александра III. Крепость телосложения была у неё мужественная при совокупности редкой красоты. Она обладала большой силой, так что когда Цесаревич Алексей Николаевич был болен и нуждался в передвижении, то Мария Николаевна носила его как малого ребёнка.
Характер этой девочки был весьма любвеобильный, сострадательный и миролюбивый. Никого она никогда не оскорбляла, а старалась всегда всех мирить. Это была юная миротворица. Простота её была необыкновенная, и вела она себя просто, как простая русская девушка, видя в каждом человеке брата и сестру…
С этой Царственной девочкой не было скучно и своим, и чужим. Она умела развлечь и развеселить скорбящего и унылого, за что все её любили и уважали. Хозяйством она хотя не увлекалась, но помогала своей сестре Татиане Николаевне, оказывая ей полное послушание…
Она была неизменной заступницей за провинившихся перед отцом и матерью.
Она дружила с А. А. Вырубовой, делая с ней совместно много дел христианского милосердия. Эта юная Царевна была для всех светлым ангелом любви. Пред её просьбами было трудно устоять не только любвеобильному Царю, но и Царице с адамантовой силой воли».