Родилась в семье православного российского протоиерея Стефана Сабинина — выдающегося филолога и историка, являвшегося потомком русского национального героя Ивана Сусанина. Отец Марфы на момент её рождения служил настоятелем храма при посольстве Российской Империи в Дании. Матерью Марфы и десяти её братьев и сестер была Александра Вещезерова, дочь петербуржского протоиерея — переводчица и самодеятельный живописец.
Получила высококлассное домашнее воспитание, включавшее ряд европейских и древних языков, живопись на серьёзном профессиональном уровне.С детства обнаружился незаурядный талант Марфы к игре на фортепиано, а также сильные вокальные данные. В Веймаре она училась музыке у Роберта Шумана , Петера Корнелиуса и Ференца Листа (1853—1860). В 1857—1859 годах гастролировала с концертами как пианистка-виртуоз, в том числе впервые посетила Россию.
В 1859 году семья протоиерея Сабинина возвращается в Россию, в Петербург. Вскоре после этого Марфа по предложению императрицы Марии Александровны становится преподавательницей музыки её детей — великого князя Сергея и великой княжны Марии. В этом качестве служит при императорском Дворе на протяжении восьми лет. При Дворе Марфа знакомится с фрейлиной баронессой Марией Фредерикс, которая до конца её жизни стала её ближайшей подругой и соратницей в общественном служении.
Марфа Сабинина первой высказывает императору мысль о необходимости развития и в России сети Красного Креста (которая уже существовала в то время в большинстве европейских стран). Благодаря организационной и финансовой помощи императрицы Марии Александровны и фрейлины Марии Фредерикс, уже в мае 1867 года было зарегистрировано и начало очень активно развиваться «Общество попечения о раненых и больных воинах» (с 1879 — Российский Красный Крест).
После завершения службы при Дворе в 1867 году Марфа с Марией Фредерикс переезжают на постоянное жительство в имение последней Джемиет (ныне поселок Восход) под Ялтой. Основным приложением полученных доходов, делом жизни Марфы Сабининой и Марии Фредерикс, стала постройка на территории имения Джемиет храм и основание при нем бесплатной больницы. Все это и было успешно реализовано 1876 году. Любопытно, что всю живопись, весь текстиль и деревянный иконостас Благовещенского храма в Джемиете выполнили лично Марфа Сабинина, её мать, сестры, а также Мария Фредерикс.
Помимо этого, в 1870 году Марфа Сабинина по предложению императрицы Марии Александровны детально осматривала военные лазареты французской и прусской армий во время боевых действий между ними. После чего на основании полученной информации основала лазарет в Санкт-Петербурге, ставший образцом для разворачивания впоследствии его аналогов в системе Российского Красного Креста.
Во время Сербо-турецкой войны 1876-77 годов и последовавшей за ней Русско-турецкой войны Марфа Сабинина и её сестры работают в лазаретах (и организовывают таковые), а также активно занимаются эвакуацией раненых на территориях боевых действий в Сербии и Румынии. За свою военно-медицинскую деятельность Марфа Сабинина была награждена рядом орденов и медалей Российской империи.
Вернувшись после войны в Крым Марфа Сабинина отдает все силы созданной ею бесплатной больнице (Благовещенская община сестер милосердия) в Джемете и основанному ею там же православному приходу. Последние десять лет жизни Марфы Сабининой прошли в Кастрополе, где она написала свои «Записки», ставшие особо популярными из-за воспоминаний об Н. В. Гоголе и вместе с Марией Фредерикс основали переносной православный храм — первый в поселке, на то время единственный на 12-верстную округу.Марфа Сабинина скончалась в Ялте 1892 года на шестьдесят втором году жизни. Похоронена в Ялте на Поликуровском мемориале.