I ett landmärke som hyllades som "för länge sedan" blev Prof Maryam Mirzakhani erkänd för sitt arbete med komplex geometri.
Fyra av medaljerna delades ut i Seoul vid matematikernas internationella kongress, som hölls vart fjärde år.
Även bland vinnarna var Prof Martin Hairer från University of Warwick, Storbritannien, vars arbete med slumpmässighet kunde visa sig användbart för klimatmodellering.
Fieldsmedaljen tilldelas av en kommitté från International Mathematics Union (IMU) och betraktas som något liknande ett Nobelpris för matematik. Det grundades av kanadensisk matematiker John Fields och levereras med en 15,000 Kanadensisk dollar (8,000 pund) kontantpris.
Först utdelas 1936 och sedan vart fjärde år sedan 1950, delas medaljen ut till mellan två och fyra forskare, som inte får vara äldre än 40, eftersom Fields ville uppmuntra vinnarna att sträva efter "ytterligare prestation" samt erkänna sin framgång.
De andra två medaljerna vanns av Dr Artur Avila, en brasiliansk matematiker som fick sin doktorsexamen i dynamiska system vid 21 års ålder, och Prof Manjul Bhargava, en kanadensisk-amerikansk talteoretiker vid Princeton University.
Genom att bli den allra första kvinnliga medaljören avslutar professor Mirzakhani - som undervisar vid Stanford University i Kalifornien - vad som har varit en lång väntan på matematiksamhället.
Prof Dame Frances Kirwan, medlem i medalj urvalskommittén från universitetet i Oxford, påpekade att trots att matematik betraktas traditionellt som "ett manligt reservat", kvinnor har bidragit till matematik i århundraden.
Hon noterade att cirka 40 % av matematikstudenterna i Storbritannien är kvinnor, men att andelen minskar snabbt på doktorandnivå och därefter.
"Jag hoppas att detta pris kommer att inspirera många fler flickor och unga kvinnor, i detta land och runt om i världen, att tro på sina egna förmågor och sikta på att vara Fields Medallists of the future," Prof Kirwan sade.
Prof Sir John Ball, en annan brittisk matematiker och en tidigare ordförande för IMU, var överens om att Prof Mirzakhanis seger var "fantastiskt viktig". På tal om BBC News från kongressen i Seoul i Sydkorea sa han att en kvinnlig vinnare var försenad och att Prof Mirzakhani är en av många lysande kvinnliga matematiker.
Han tillade att kommittén hade ett oavvisligt jobb att välja vinnarna. "Dessa fyra förtjänar verkligen detta erkännande, men allt arbete på denna nivå bygger naturligtvis också på exceptionellt arbete av andra människor."
Prof Mirzakhanis spetsforskning handlar om former som kallas Riemanns ytor. Dessa är invecklade matematiska objekt som kan analyseras med hjälp av komplexa tal - d.v.s. siffror med verkliga och imaginära delar.
I synnerhet har hon studerat "modulutrymmen" av dessa former, som kartlägger alla möjliga geometrier av en Riemann yta till sin egen, nya utrymme.
Prof Alison Etheridge, en föreläsare i tillämpad matematik vid universitetet i Oxford, sade att hon var hänförd av tillkännagivandet.
"Kvinnor mår så bra nu i matematik att detta är bara glasyr på kakan," Prof Etheridge berättade BBC. "Det är den typ av sak som verkligen kommer att fånga allmänhetens fantasi - och som ett resultat tror jag att det kan ha en ganska stor inverkan på en ny generation."
Prof Etheridge är mer bekant med arbetet av medaljören från Warwick, Martin Hairer.
"Jag tycker att Martin har gjort några av de mest anmärkningsvärda matematik," sade hon.
"Traditionellt har matematiken varit ganska uppdelad i ren och tillämpad. Men vad som har hänt under det senaste årtiondet eller så, är att människor har insett att för att göra modern tillämpad matematik, behöver du verkligen en hel arsenal av tekniker från ren matematik - särskilt om du ska ta hänsyn till slumpmässiga effekter.
"Vad Martins arbete gör är att det tillåter dig att ta hänsyn till slumpmässighet på ett sätt som vi bara inte trodde var möjligt."
Prof Hairers pris är specifikt för hans bidrag till en viss typ av ekvation, känd som en partiell differentialekvation eller PDE. Hans teori tillåter matematiker att förutsäga hur fysiska processer kommer att utvecklas när de innehåller element av slumpmässighet.
Ett viktigt exempel är modellering av hur gränsen förändras över tiden mellan två olika ämnen. Prof Terry Lyons, en kollega till Prof Hairer's i Oxford, använder exemplet på gränssnittet mellan aska och papper, när ett ark sakta brinner.
"Men den typ av exempel som det gäller på längre sikt är gränslösa," Prof Lyons tillade, notera att klimatvetenskap i synnerhet var "där det kan hamna".
"Martin har tagit itu med ett grundläggande problem och uppnått en fullständig förändring i vår förståelse av det."
Caroline Series, en matteprofessor vid University of Warwick där Prof Hairer arbetar, sa att hon var "mycket glad" för sin kollega.
"Det är fantastiska nyheter för Warwick", berättade hon för BBC.
Prof Series har också känt professor Mirzakhani och hennes arbete under en tid.
"Jag stötte på henne för länge sedan när hon var doktorand, och jag fick ett preliminärt utkast till hennes avhandling. Och jag läste det med förvåning - det var vackert.
"Hon tog något som har varit känt ett tag, och hon tog ett ganska utstuderat och svårt att förstå identiteten mellan saker, och hon bara tillämpat det på det mest geniala och underbara sätt."
Prof Series anser att den första kvinnliga Fields vinnaren är en sällsynt talang, som har producerat unikt och slående arbete.
"Jag är ganska äkta om det", sa hon. "Det tänker jag nästan aldrig på när det gäller matematik!"
Följ Jonathan på Twitter
En iransk matematiker som arbetar i USA har blivit den första kvinnliga vinnaren någonsin av den berömda Fieldsmedaljen.