Bei denOlympischen Spielen 1984inSarajevogewann sie alle drei Goldmedaillen in den Einzeldisziplinen, über 5 km, über 10 km und über 20 km. Dazu belegte sie mit der finnischen Staffel den dritten Platz. Im selben Jahr wurde sie zuEuropas Sportlerin des Jahresgekürt. Die Bronzemedaille in der Staffel gewann sie auch 1988 inCalgary.Zwei weitere olympische Medaillen gewann sie 1994 inLillehammer,wo sie sowohl über 5 km als auch über 30 km jeweils den dritten Platz belegte.
Auch bei Weltmeisterschaften war sie sehr erfolgreich. Ihren ersten Titel gewann sie 1978 inLahtimit der finnischen Staffel. 1985 errang sie die Silbermedaille über 10 km. Über diese Strecke wurde sie dann 1989 Weltmeisterin. Im gleichen Jahr wurde sie außerdem Weltmeisterin in der Staffel über 4 × 5 km sowie Vizeweltmeisterin über 15 km. Weitere Silbermedaillen konnte sie bei den Weltmeisterschaften 1991 im 5-km-Rennen und 1993 im 15-km-Rennen gewinnen.
Marja-Liisa Kirvesniemi gehört zu den wenigen Sportlerinnen und Sportlern, die an sechs Olympischen Winterspielen teilgenommen haben. 1989 wurde sie mit derHolmenkollen-Medaillegeehrt (ihr Ehemann erhielt diese neun Jahre später).