Zunächst arbeitete sie als Dienstmädchen bei Christoph Arnold im Nachbarort Sommerfeld. Der war Landwirt und Sternkundiger, wie es in zeitgenössischen Quellen heißt. Arnold hatte es vor allem der Große Komet angetan, der 1680 mit bloßem Auge am Tageshimmel zu sehen war.
Diesen Kometen hatte Gottfried Kirch entdeckt, ein guter Bekannter Christoph Arnolds. Kirch war damals einer der führenden deutschen Astronomen, allerdings nicht fest an einer Sternwarte beschäftigt.
Maria Winkelmann und der 30 Jahre ältere Gottfried Kirch wurden ein Paar. Im Jahr 1700 zogen sie nach Berlin, wo Gottfried Kirch eine Stelle am Königlichen Observatorium erhalten hatte.
Maria war offiziell seine Assistentin, tatsächlich aber mindestens ebenbürtige Kollegin. 1702 entdeckte sie als erste Frau einen Kometen – der Fund wurde offiziell ihrem Mann zugeschrieben. Sie forschte viel über Sonnenflecken, Polarlichter und Planeten.
Als ihr Mann 1710 starb, versuchte Maria Winkelmann Kirch seine Stellung als Astronom und Kalenderherausgeber der Preußischen Akademie der Wissenschaften zu übernehmen. Doch sie wurde trotz ihrer fachlichen Qualifikation abgelehnt.
1720 ist sie im Alter von 50 Jahren gestorben. Maria Winkelmann Kirch war eine exzellente Astronomin – der ganz große Ruhm aber blieb ihr allein wegen ihres Geschlechts versagt.