Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Mai sinh năm 1974 tại tỉnh Quảng Ngãi; tốt nghiệp cử nhân Hóa học tại Trường đại học Tổng hợp Thành phố Hồ Chí Minh (nay là Trường đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh) năm 1996.
Năm 2002, Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Mai sang Nhật Bản theo học chương trình nghiên cứu sinh tại Trường đại học Y Dược Toyama và nhận bằng tiến sĩ Dược học vào năm 2005.
Năm 2021, bà được bổ nhiệm làm Phó Hiệu trưởng Trường đại học Khoa học tự nhiên và từ năm 2022 kiêm Hiệu trưởng Trường phổ thông Năng khiếu, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Mai được công nhận chức danh Phó Giáo sư năm 2014, Giáo sư năm 2020, đồng thời được phong danh hiệu Nhà giáo ưu tú vào năm 2024.
Ngày 12/6/2024, Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Mai được bổ nhiệm làm Phó Giám đốc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Tháng 10/2025, tại Hội nghị lần thứ 17 của Viện Hàn lâm Khoa học Thế giới (TWAS) ở Rio de Janeiro (Brazil), Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Thị Thanh Mai được công nhận là Viện sĩ TWAS.
