Mayreder besuchte von 1865 bis 1868 das Privatmädcheninstitut der Maria Hanasek und anschließend das Institut der Sophie Paulus in Wien. Auf eigenen Wunsch erhielt sie außerdem Privatstunden in Latein und Griechisch, um die gleiche Bildung wie ihre Brüder zu erhalten. Ihre Tagebücher bezeugen die physische Gewalt und Herrschaft ihres Vaters und das harte Los der für ihn arbeitenden Dienstbotinnen. Als Sechzehnjährige beschäftigte sich Mayreder mit den Werken Immanuel Kants (1724–1804), Arthur Schopenhauers (1788–1860) und Friedrich Nietzsches (1844–1900), widersetzte sich zunehmend den bestehenden Geschlechternormen und legte ihr Korsett zugunsten der „Reformkleidung“ ab. Inspiriert durch die Schriften des Sozialphilosophen Josef Popper-Lynkeus (1838–1921), blieben ihr die Beseitigung der Geschlechterdiskriminierung und die sog. Frauenfrage lebenslang zentrale Anliegen. Kultur- und kunstinteressiert, nahm sie zwischen 1877 und 1881 Malunterricht bei Hugo Darnaut (1851–1937) und Tina Blau (1845–1916) und knüpfte in den folgenden Jahren weitere Kontakte u. a. zu Rudolf Steiner (1861–1925), von dem sie sich wegen dessen theosophischen und anthroposophischen Lehren jedoch allmählich abwandte. Von 1912 an pflegte Mayreder ihren schwerkranken Mann bis zu dessen Tod 1935.

Mayreders beruflicher Einstieg als Malerin war erfolgreich. Ihre erste Ausstellung mit Aquarellen fand 1891 im Wiener Künstlerhaus statt; seit 1888 war Mayreder als erste Frau korrespondierendes Mitglied des Aquarellisten-Clubs in Wien. Galerien in Dresden und Berlin stellten kurz danach Bilder von ihr aus. Auch bei den Weltausstellungen in Chicago (Illinois, USA) 1893 und St. Louis (Missouri, USA) 1904 waren ihre Aquarellbilder zu sehen. 1897 gründete sie mit Olga Prager (1872–1930), Ernestine Federn (1848–1930) und Karl Federn (1868–1943) die Kunstschule für Frauen und Mädchen, um diesen eine kunstgewerbliche berufliche Existenz zu ermöglichen.

Als Schriftstellerin trat Mayreder 1896 erstmals mit dem Libretto zur Oper „Der Corregidor“ des von ihr geförderten Hugo Wolf (1860–1903) hervor. Im selben Jahr erschien ihr Novellenband „Aus meiner Jugend“, der 1908 nochmals aufgelegt wurde. 1898 und 1899 verfasste Mayreder unter dem Pseudonym Franz Arnold Kunstberichte für die „Neue Freie Presse“ in Wien und publizierte gelegentlich als Literatin in Literaturzeitschriften.

Bedeutung entfaltete Mayreder v. a. als Frauenrechtlerin. 1893 gehörte sie neben Auguste Fickert (1855–1910) und Marie Lang (1858–1934) zu den Gründerinnen des Allgemeinen Österreichischen Frauenvereins, zu dessen linksliberalem Flügel sie zählte und dem sie bis 1903 als Vizepräsidentin vorstand. Öffentliche Beachtung fand ihre Rede anlässlich einer Frauenversammlung zum Tabuthema „Prostitution“ in Wiener Rathaus 1894, in der sie die Achtung der Menschenwürde rechtloser Frauen anmahnte. Von 1899 bis 1902 war Mayreder Mitherausgeberin und Autorin der Zeitschrift „Dokumente der Frauen“. Neben Frauenwahlrecht, Emanzipation und Selbstbestimmung setzte sich Mayreder seit 1900 im Frauenbildungsverein „Athenäum“ für höhere Bildung ein.

In ihrem bis in die 1920er Jahre mehrfach neu aufgelegten und wiederholt übersetzten Hauptwerk „Zur Kritik der Weiblichkeit“ (1905) reflektierte Mayreder die Entwicklungen patriarchaler Geschlechterverhältnisse, positionierte sich gegen die Vorstellung geschlechtsabhängiger Charakterunterschiede und postulierte beide Geschlechter als gleichwertig. Dabei skizzierte sie einen Gesellschaftsentwurf, in dem das Individuum keiner sozialen Gruppe mehr untergeordnet wird, sondern sich im Sinne einer sozialethisch höheren gesellschaftlichen Organisation frei entfalten kann. Ihr Band „Geschlecht und Kultur“ (1923) ist eine Kritik von Otto Weiningers (1880–1903) misogyner Schrift „Geschlecht und Charakter“ (1903) und befasst sich speziell mit seinen Kategorien „männlich“ und „weiblich“ als biologistisch und metaphysisch aufgeladenen Zuschreibungen. Nicht zuletzt wegen ihrer Argumentation, dass „Gleichberechtigung durch „Hebung der Sitten“ zivilisatorischen Fortschritt bedeute, wird Mayreder als bedeutendste Kulturtheoretikerin der Frauenbewegung am Anfang des 20. Jahrhunderts gesehen.

Vor Beginn des Ersten Weltkriegs engagierte sich Mayreder an der Seite von Bertha von Suttner (1843–1914) in der Frauen-Friedensbewegung. 1921 wurde sie Vorsitzende der österreichischen Sektion der Internationalen Frauenliga für Frieden und Freiheit. Mayreders Leben in der Ersten Republik war auch von antisemitischer Diskriminierung geprägt. Die anlässlich ihres 70. Geburtstags vorgesehene Ernennung zur „Ehrenbürgerin der Stadt Wien“ wurde zugunsten einer Ernennung zur „Bürgerin ehrenhalber der Stadt Wien“ aufgegeben, nachdem sich Mayreder in Zeitungsartikeln zu ihrem jüdischen Großvater mütterlicherseits bekannt hatte. Mayreders letzte Lebensjahre waren von der Verfolgung und Vertreibung jüdischer Intellektueller geprägt. Ihre letzten Essaybände „Mensch und Menschlichkeit“ (1928) und „Der letzte Gott“ (1932) zeugen von persönlicher Resignation.

Mayreders Freundin und Nachlassverwalterin Käthe Braun-Prager (1888–1967) rettete Mayreders Tagebücher und Lebenserinnerungen bei ihrer Emigration nach Großbritannien und gab einen Teil 1948 u. d. T. „Das Haus in der Landskrongasse“ heraus. Seit den 1980er Jahren hat das öffentliche und wissenschaftliche Interesse an Mayreder und ihrer Bedeutung für die österreichische Frauenbewegung deutlich zugenommen, wie die Fülle neu erschienener Forschungen über sie ebenso wie die Edition weiterer autobiografischer Schriften belegen.