Mareile Moeller tem um B.F.A. em Drama da prestigiada Ernst Busch Drama School, em Berlim. Enquanto estudava em Ernst Busch, recebeu o papel principal de Leonida na peça Das Sparschwein, de Eugene Labiche, no Teatro Deutsches. Além disso, ela tocou o Kunigunde em Käthchen von Heilbronn no BAT Theater de Berlim, sob a direção de Anna Bergmann. Após a formatura, Mareile Moeller foi hóspede do Schauspielhaus Düsseldorf por três temporadas até 2006. Lá, ela assumiu o papel de Gwendolyn na estréia alemã de Ernst ist das Leben, de Elfriede Jelinek, e de Regina em Süden, por Julien Green. O ator e diretor Helmut Lohner viu Mareile Moeller na noite de estréia de Ernst ist das Leben e decidiu escalá-la para lá como Angelique em O imaginário inválido de Molière. Desde 2006, ela aceita papéis de liderança e apoio em várias produções de TV, entre elas Flemming (dir. Bernhard Stephan), uma equipe forte (dir. Ulrich Zrenner), policiais de Rosenheim (dir. Jörg Schneider e Werner Siebert) e SOKO Wismar (dir. Oren Schmuckler). Na temporada de 2015, Mareile Moeller foi o protagonista, como a simpática detetive Nele Wittkamp da série ZDF Kripo Holstein - Mord und Meer.
