Su investigación, que es intensa y extensa, concierne a la modelización matemática en física y en química cuántica. Es directora de investigación del Centre National de la Recherche Scientifique (CRNS), puesto que ejerce en el Centre de Recherche en Mathématiques de la Décision (CEREMADE, del Departamento de Matemáticas de la Université Paris-Dauphine, después de haber iniciado su etapa de investigadora del CNRS en la Université Paris VI. Entre otras contribuciones relevantes, ha sido presidenta de la Société de Mathématiques Appliquées (SMAI), Coordinadora del Proyecto A Forward Look on Mathematics promovido por la European Mathematical Society (EMS) y la European Science Foundation y, en la actualidad, presidenta del Comité de Matemática Aplicada de la EMS. También contribuyó al Centenario de la RSME, en particular, como conferenciante invitada en las Jornadas Científicas sobre Matemáticas y Química y sobre Transferencia y Matemática Industrial, celebradas en Sevilla y Santiago de Compostela respectivamente.
La RSME felicita a María Jesús Esteban por su excepcional trayectoria que incluye su elección como presidenta de ICIAM.