ภายหลังการเปลี่ยนแปลงการปกครองพ.ศ. 2475 หม่อมเจ้ามารศีสุขุมพันธุ์ซึ่งเพิ่งประสูติได้ไม่นาน มีชันษาเกือบ 1 ปี [6] ได้ตามเสด็จพระประยูรญาติไปประทับที่เกาะชวา ประเทศอินโดนีเซียและต่อไปยังประเทศอังกฤษ ได้มีโอกาสเข้าศึกษาที่ประเทศอังกฤษ ก่อนเสด็จนิวัติประเทศไทยและเข้าศึกษาต่อที่โรงเรียนมาแตร์เดอีวิทยาลัย ชั้นประถมปีที่ 4 ในพ.ศ. 2483 ในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง โรงเรียนมาแตร์เดอีวิทยาลัยต้องย้ายสถานศึกษาไปที่อำเภอหัวหิน จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ หม่อมเจ้ามารศีสุขุมพันธุ์และครอบครัวจึงอพยพไปประทับยังพระตำหนักส่วนพระองค์ของพระเจ้าวรวงศ์เธอ กรมหมื่นนครสวรรค์ศักดิพินิต ที่บ้านบ่อจืด ตำบลหนองแก อำเภอหัวหิน และทรงขับจักรยานไปโรงเรียนซึ่งอยู่บริเวณวังไกลกังวลทุกวัน จนกระทั่งสงครามสิ้นสุดลงจึงเสด็จกลับพระนคร และทรงศึกษาต่อที่โรงเรียนมาแตร์เดอีวิทยาลัยจนจบชั้นมัธยมปีที่ 6 จึงเสด็จไปทรงศึกษาต่อที่ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ประเทศฝรั่งเศส และประเทศสเปน ทรงได้รับปริญญา Docteur 's Lettres สาขาวรรณคดี จากมหาวิทยาลัยปารีส ในพ.ศ. 2497 และปริญญาเอก สาขาประวัติศาสตร์ศิลปะ จากมหาวิทยาลัยอิสระแห่งมาดริด ประเทศสเปน ในพ.ศ. 2502 ขณะชันษา 28 ปี [7] นับเป็นเจ้านายฝ่ายใน(เจ้านายสตรี)องค์แรกในราชวงศ์จักรีที่ทรงสำเร็จการศึกษาในระดับปริญญาดุษฎีบัณฑิต