Marianne Fyhn studerte realfag i Bergen. Etter feltarbeid på Svalbard der Fyhn studerte arktisk biologi, tok hun mastergrad i fysiologi ved Universitetet i Tromsø. Siden ble hun vitenskapelig assistent hos May-Britt og Edvard Moser ved NTNUs Senter for hukommelsesbiologi (, seinere Kavli-instituttet), der hun forsket på stedsans og hukommelse. I 2004 publiserte hun en artikkel i som beskrev at hjerneceller i entorhinal cortex danner et mentalt kart over omgivelsene. Hun fulgte opp arbeidet med en artikkel som ble publisert i i 2005 der disse hjernecellene ble døpt grid celler . I mai 2005 fullførte Fyhn en doktorgrad samme sted med utgangspunkt i disse studiene, med May-Britt og Edvard Moser som veiledere. Doktoravhandlingen viste at hjerneområdet entorhinal cortex inneholder et mentalt kart over omgivelsene. Fyhns avhandling ble kåret til verdens beste doktorgrad innen nevrovitenskap i 2005, og hun fikk Donald B. Lindsley's prize in Behavioral Neuroscience. Deretter var hun tre år postdoktor ved NTNU. Funnet av gridcellene førte til at Norge i 2014 for første gang fikk Nobelprisen i fysiologi eller medisin ved May-Britt og Edvard Moser.