Mareile Moeller, Berlin'deki prestijli Ernst Busch Drama Okulu'ndan Drama alanında lisans derecesine sahiptir. Ernst Busch'ta okurken Deutsches Theater'da Eugene Labiche'nin Das Sparschwein adlı oyununda Leonida rolünü üstlendi. Ayrıca Berlin BAT Tiyatrosu'nda Anna Bergmann'ın yönetiminde Käthchen von Heilbronn'da Kunigunde rolünü oynadı. Mareile Moeller mezun olduktan sonra 2006 yılına kadar üç sezon boyunca Schauspielhaus Düsseldorf'a konuk oldu. Burada Elfriede Jelinek'in Ernst ist das Leben adlı oyununun Almanya prömiyerinde Gwendolyn rolünü ve Julien Green'in Süden adlı oyununda Regina rolünü üstlendi. Aktör ve yönetmen Helmut Lohner, Mareile Moeller'i Ernst ist das Leben'in açılış gecesinde gördü ve hemen orada Molière'in The Imaginary Invalid'indeki Angelique rolünü ona vermeye karar verdi. 2006 yılından bu yana aralarında Flemming (yön. Bernhard Stephan), Ein Starkes Team (yön. Ulrich Zrenner), Rosenheim Cops (yön. Jörg Schneider ve Werner Siebert) ve SOKO Wismar'ın (yön. Oren Schmuckler) da bulunduğu çeşitli TV yapımlarında başrol ve yardımcı rolleri kabul ediyor. 2015 sezonunda Mareile Moeller, ZDF dizisi Kripo Holstein - Mord und Meer'in sempatik dedektifi Nele Wittkamp olarak başrolde izlendi.