Mae Carol Jemison est née à Decatur, dans l'Alabama le 17 octobre 1956 ; elle est la plus jeune enfant de Charlie Jemison et Dorothy Green. Son père travaillait dans un organisme de charité et sa mère comme professeure d'anglais et de mathématiques à l'école secondaire Beethoven à Chicago. Selon une analyse ADN, elle descend de peuples du Cameroun, du Nigeria, du Sierra Leone, du Ghana et du Sénégal[réf. nécessaire]. La famille a déménagé à Chicago, Illinois, quand Jemison avait trois ans, afin de profiter de meilleures possibilités d'éducation.

Elle aime la science et les arts et a commencé à danser à l'âge de onze ans. Elle est entrée à Morgan Park High School de Chicago en 1973 et à l'Université Stanford à seize ans ; elle en est sortie en 1977, diplômée en génie chimique et en études africaines et afro-américaines. En 1981 elle obtient son diplôme de docteur en médecine de l'Université Weill Medical College.

Elle a été interne au USC Medical Center à Los Angeles en tant que médecin généraliste. Elle a rejoint le Peace Corps de 1983 à 1985, a voyagé à Cuba, au Kenya, en Thaïlande, au Libéria et en Sierra Leone pour y exercer la médecine.

En 1983, elle a été refusée lors de sa première inscription à la NASA, mais y entre en 1987. Son travail à la NASA avant son vol orbital inclut des activités de soutien au Centre spatial Kennedy en Floride et la vérification des logiciels de la navette dans le laboratoire d'intégration. Elle était dans la première classe d'astronautes sélectionnés après l'accident de Challenger en 1986.

Mae Jemison a effectué sa seule mission spatiale du 12 septembre au 20 septembre 1992 en tant que spécialiste de mission STS-47. Elle a pris plusieurs petits objets d'art en provenance de pays ouest-africains et une photo de Bessie Coleman, la première femme afro-américaine à piloter un avion.

STS-47 était une mission de coopération entre les États-Unis et le Japon. Mae Jemison a enregistré 190 heures, 30 minutes et 23 secondes dans l'espace ce qui fait presque 8 jours. Elle a quitté la NASA en mars 1993.

En 1993, elle fonde sa propre entreprise, le Groupe Jemison de recherches pour développer la science et la technologie dans la vie quotidienne. En 1993, elle est apparue dans un épisode de Star Trek : La Nouvelle Génération (Star Trek: The Next Generation). Elle a la distinction d'être la première astronaute réelle à apparaître dans Star Trek.

Elle a fondé la Fondation Dorothy Jemison pour l'excellence, ainsi nommée en l'honneur de sa mère. L'un des projets de la fondation Dorothy Jemison est la planète que nous partageons (TEWS), camp scientifique international pour les étudiants.