Margarete Bieber nahm in den archäologischen Wissenschaften in vielerlei Hinsicht eine Vorreiterrolle ein. Sie wurde 1907 an der philosophischen Fakultät der Universität Bonn promoviert - als zweite Frau nach ihrer Studienkollegin Elvira Fölzer und ein Jahr, bevor Frauen in Preußen 1908 die Immatrikulation an Hochschulen erlaubt wurde. 1909 erhielt sie als erste Archäologin das Reisestipendium - als zweite Frau nach der Theologin Carola Barth. Sie war ab 1913 das erste weibliche korrespondierende Mitglied des Deutschen Archäologischen Instituts. Bieber habilitierte sich 1919 an der Universität Gießen, noch bevor Frauen in der Weimarer Republik das Habilitationsrecht offiziell zugestanden wurde. 1923 erhielt sie dort eine außerordentlichen außeretatsmäßige Professur, und wurde damit nach der Mathematikerin Emmy Noether die zweite Professorin Deutschlands. Ihre archäologische Arbeit ist geprägt von den Forschungsschwerpunkten griechische Plastik und Skulptur sowie antike Kleidung und antikes Theater, mit denen sie sich seit ihrer Dissertation beschäftigte. Margarete Biebers systematisierende Arbeitsweise macht viele ihrer Bücher bis heute zu Referenzwerken.
Bieber wuchs mit zwei Schwestern und einem Bruder in einer wohlhabenden Familie in Westpreußen auf. Während der Sohn nach dem Besuch der Elementarschule auf ein humanistisches Gymnasium geschickt wurde, galt die Ausbildung der Mädchen nach sechs Schuljahren als abgeschlossen. Nachdem sie einige Zeit den elterlichen Haushalt geführt hatte, reifte in der 19-jährigen Margarete der Wunsch, zu studieren. Sie setzte daraufhin durch, in Berlin die Gymnasialkurse für Mädchen von Helene Lange besuchen zu dürfen. 1901 bestand Margarete Bieber als erste Frau in Westpreußen am Gymnasium in Thorn als externe Kandidatin die Abiturprüfung. Noch im gleichen Jahr begann sie, an der Universität Berlin zu studieren. 1904 erfolgte der Wechsel an die Universität Bonn, wo sie drei Jahre später ihr Studium erfolgreich abschloss.
Mit Unterstützung ihrer Familie verbringt Bieber ab 1907 einige Jahre im Süden, insbesondere in Rom und Athen. 1909/10 erhält die das Reisestipendium des Deutschen Archäologischen Instituts.
Nach Ausbruch des Ersten Weltkrieges musste sie nach Deutschland zurückkehren. 1915 holte ihr Doktorvater Georg Loeschcke, der inzwischen einen Ruf an die Universität Berlin angenommen hatte, Margarete Bieber als Vertretung für seine an die Front eingezogenen Assistenten an sein Institut. Sie übernahm dort deren Aufgaben – nicht aber deren Stelle oder deren Gehalt. Als Georg Loeschcke kurz darauf erkrankte und im November 1915 starb, vertrat sie inoffiziell Loeschckes Lehrstuhl, bis der zum Nachfolger berufene Ferdinand Noack ihr die Lehrtätigkeit verbot. Preußen hielt bis zum Ende des Kaiserreichs am Habilitationsverbot für Frauen fest: Weiblichen Promovierten wie Margarete Bieber blieb die Hochschullaufbahn dadurch formal verschlossen. Erst in der Weimarer Republik änderte sich dies, als auch Frauen das Habilitationsrecht erhielten.
1919 wurde Bieber mit einer Studie über antike Theatergebäude an der Universität Gießen habilitiert, und wurde dort 1923 zur außerordentlichen Professorin ernannt. Bis 1922 war sie dank der finanziellen Unterstützung durch ihre Familie nicht darauf angewiesen, durch ihre wissenschaftliche Arbeit auch ihren Lebensunterhalt zu verdienen. Dies änderte sich, als die Familie Bieber nach dem ersten Weltkrieg zunächst ihre Besitzungen im heutigen Polen verlor, und während der Inflation auch noch einen Großteil ihres Vermögens einbüßte. 1922 erhielt Margarete Bieber durch die Universität Gießen einen bezahlten Lehrauftrag, der ihr Auskommen sicherte.
Ebenfalls 1922 wurde sie zum ordentlichen Mitglied des Deutschen Archäologischen Instituts gewählt.
1928 wurde Bieber Leiterin des Gießener Instituts für Altertumswissenschaften.
Als Margarete Bieber 1932 erfuhr, dass sie im kommenden Jahr das planmäßige Ordinariat in Gießen erhalten sollte und damit auch finanziell abgesichert sein würde, entschloss sie sich, im Alter von 54 Jahren, die 6-jährige Ingeborg zu adoptieren.
Ihre bis 1933 stetig fortschreitende Karriere kam in Folge der Machtübernahme der Nationalsozialisten zu einem abrupten Halt. Bieber war zwar selbst altkatholisch getauft, und hatte durch ihre Gouvernante in jungen Jahren eine christlich-protestantische Erziehung erfahren, ihre Familie war aber jüdischer Abstammung. Da sie bei den Nationalsozialisten als Jüdin galt, wurde sie im Juli 1933 auf Grundlage des „Berufsbeamtengesetzes“ entlassen. Auch ein offener Brief, in dem sich 49 ihrer Studenten mit ihr solidarisierten, konnte daran nichts ändern. Noch im gleichen Jahr verlässt Bieber Deutschland, und geht zunächst nach Oxford. 1934 emigriert sie nach New York.
Auch in den USA war Margarete Bieber weiterhin als Archäologin in Forschung und Lehre aktiv. Sie unterrichtet zunächst am Barnard College, seit 1935 auch an der Columbia University, wo sie bis zu ihrer Pensionierung 1948 als Associate Professor in Fine Arts and Archaeology tätig war. 1940 erhält sie die US-amerikanische Staatsbürgerschaft. Diese zweite Phase der archäologischen Laufbahn Margarete Biebers ist sowohl von intensiver Lehrtätigkeit als auch von umfangreicher Publikationstätigkeit geprägt. Ein Verzeichnis ihrer Schriften, das zu ihrem 90. Geburtstag erschien, umfasst über 300 Titel; ihr letztes Buch veröffentlicht sie mit 98 Jahren.