Hemingway ble født i Mill Valley i California som den tredje datteren til Byra Louise (født Whittlesey) Hemingway og hennes ektemann Jack Hemingway, en forfatter. Hennes søstre er Joan Hemingway (født i 1950) og Margaux Hemingway (født i 1954). Margaux, som arbeidet som skuespiller og modell, døde av en overdose med barbiturater i 1996 i en alder av 42 år. Hennes besteforeldre på farssiden var Hadley Richardson og den anerkjente forfatteren Ernest Hemingway, som Mariel aldri fikk møte, ettersom han begikk selvmord flere måneder før hun ble født. Hemningway ble oppkalt etter den cubanske havnebyen Mariel, en landsby som hennes far og bestefar besøkte jevnlig som idrettsmenn for å fiske.