Die Mathematik-Olympiade ist ein jährlich bundesweit angebotener Wettbewerb, an dem über 200.000 Schülerinnen und Schüler teilnehmen und welcher bereits bis in das Schuljahr 1961/62 zurückreicht. Das Mariengymnasium bietet mit der Teilnahme an diesem Wettbewerb allen interessierten Schülerinnen die Möglichkeit, ihre besondere Leistungsfähigkeit in der Mathematik unter Beweis zu stellen. In der ersten Runde, der Schulrunde, können die Schülerinnen erste Erfahrungen mit den Aufgabentypen sammeln und diese über einen längeren Zeitraum in Ruhe bearbeiten. Die zweite Runde, die Regionalrunde, findet in der Schule statt und wird in Form von 180-minütigen (bis Jahrgang 6) bzw. 240-minütigen (ab Jahrgang 7) Klausuren durchgeführt. In letzterer Runde können sich die Schülerinnen für die Teilnahme an der Landesrunde qualifizieren. Letztendlich schließt sich als vierte Runde die Bundesrunde an. 

Der Wettbewerb ist nach Altersstufen gegliedert und erfordert logisches Denken, Kombinationsfähigkeit und kreativen Umgang mit mathematischen Modellen.