Marie Tharp dilahirkan pada 30 Julai 1920, di Ypsilanti, Michigan dan merupakan anak tunggal kepada Bertha Louise Tharp, seorang guru Jerman dan Latin, dan William Edgar Tharp, seorang juru ukur tanah untuk Jabatan Pertanian Amerika Syarikat . [6] Beliau sering menemani bapanya melakukan kerja lapangan, yang memberi beliau pendedahan awal kepada pembuatan peta . Walaupun begitu, dia tidak berminat untuk meneruskan kerjaya dalam kerja lapangan kerana pada masa itu kerja lapangan secara lazimnya difahamkan sebagai kerja lelaki. 

Kerja William Tharp sebagai seorang juru ukur tanah menyebabkan keluarga itu sentiasa berpindah sehingga beliau bersara pada tahun 1931. Pada ketika itu, Marie telah bersekolah di lebih 17 [7] sekolah awam di Alabama, Iowa, Michigan dan Indiana, yang menyukarkannya untuk menjalinkan persahabatan. [6] Ibunya, yang meninggal dunia ketika Marie berusia 15 tahun, [8] merupakan kenalan wanita yang paling rapat dengan diri beliau. [6] Pengalaman persekolahan di Florence, Alabama selama satu tahun memberi pengaruh yang besar bagi diri Marie. Pada masa ini, beliau menghadiri kelas yang dipanggil Sains Semasa, di mana beliau diperkenalkan kepada saintis-saintis kontemporari dan projek penyelidikan mereka. Selain itu, beliau juga mengikuti lawatan lapangan sekolah pada hujung minggu untuk mengkaji pokok dan batu. [8]

Selepas persaraan bapanya, Marie Tharp berpindah ke ladang di Bellefontaine, Ohio, di mana beliau berjaya menamatkan pendidikan sekolah menengah dari sekolah menengah tempatan. [2] Beliau mengambil masa beberapa tahun antara sekolah menengah dan kolej untuk bekerja di ladang keluarganya. [7] Beliau kemudiannya memasuki Universiti Ohio pada tahun 1939, di mana beliau dikatakan "menukar jurusannya setiap semester." [7]

Tharp mendapat kelulusan Ijazah Sarjana Muda dari Universiti Ohio pada tahun 1943 dalam bidang bahasa Inggeris dan muzik, beserta empat kursus minor.

Selepas serangan Jepun ke atas Pearl Harbor, ramai pemuda lelaki tercicir dari sistem persekolahan dan universiti untuk menyertai angkatan tentera. [9] Semasa Perang Dunia II, terdapat peningkatan kadar pengambilan wanita ke dalam bidang kerja seperti geologi petroleum, biasanya terhad kepada lelaki. "Dengan bilik darjah kosong (tiada lelaki) semasa tahun perang, Michigan—yang tidak pernah membenarkan wanita menyertai program geologinya—mencuba sedaya upaya untuk mengisi tempat duduk," [2] walau bagaimanapun, kurang daripada 4% daripada semua ijazah kedoktoran sains bumi pada masa itu diperoleh wanita. [10] Setelah mengambil kelas geologi di Ohio, Tharp menghadiri program geologi petroleum Universiti Michigan di Ann Arbor, di mana beliau menamatkan Ijazah Sarjana pada tahun 1944. [11] [2]

Selepas menamatkan pengajian, Tharp mula bekerja sebagai ahli geologi muda di syarikat Stanolind Oil di Tulsa, Oklahoma, tetapi mendapati syarikat itu tidak membenarkan wanita mengelola atau mengikuti kerja lapangan. Tharp hanya dibenarkan untuk menyelaraskan peta lapangan dan data untuk perjalanan rakan sekerja lelaki. [2] [9] Semasa masih bekerja sebagai ahli geologi untuk syarikat Stanolind Oil, Tharp mendaftar di fakulti matematik di Universiti Tulsa, di mana beliau memperoleh BSc keduanya. [9]