Мария Яковлевна родилась в 1871 году в Ярославле и была младшей из пятерых сестёр Колмогоровых. Как и все дети в семье, была крещена в церкви Всех Святых на Пробойной улице. На этой же улице находилась Мариинская женская гимназия, в которой учились дети Колмогоровы. К моменту поступления младшей старшие её уже окончили. По примеру сестёр Софьи и Надежды после основного курса Мария ещё два года училась в дополнительных классах гимназии и в 1891 году получила свидетельство на право преподавания в начальной школе и как частная учительница.

В гимназии ученицы в числе прочего изучали точные науки: им преподавали арифметику, геометрию, алгебру. Впоследствии это позволило тётушкам, занимавшимся воспитанием Андрея Николаевича, дать ему первые уроки математики.

По воспоминаниям близких знакомых Колмогоровых, Вера и Мария обучались на женских курсах в Москве. Сёстры придерживались либеральных взглядов и перепечатывали запрещённую литературу, за что даже были подвергнуты аресту.

В начале 1900-х Мария Яковлевна познакомилась в Ярославле с Николаем Матвеевичем Катаевым. В гражданском браке с ним была рождена дочь Татьяна, умершая в 9 месяцев. В 1903 году после отдыха в Крыму Мария Яковлевна возвращалась в Ярославль, но вынуждена была остановиться в Тамбове у подруги Конкордии Климентьевны Коравко, в доме которой и родился Андрей Николаевич. Мария Яковлевна скончалась после рождения сына. Её сестра Вера увезла племянника в Ярославль, а затем в имение в Туношну, где он и проживал до отъезда в Москву.