Maria Nallino riceve un’istruzione completa e più articolata di quella prevista dal normale percorso scolastico dell’epoca, arricchita da frequenti viaggi e periodi di formazione all'estero, duranti i quali ebbe modo di approfondire la conoscenza di numerose lingue. A Roma, dove nel 1915 si era trasferita da Palermo, sua città natale, intraprende gli studi classici conseguendo la licenza ginnasiale nell’anno scolastico 1921-1922 presso il Regio Ginnasio Regina Elena, seguita due anni dopo dalla maturità classica presso il Liceo Cicerone. Si iscrive quindi alla Facoltà di lettere e filosofia dell’Università degli Studi di Roma e poi alla Scuola Orientale, sorta nel 1903 per iniziativa di cinque professori di materie orientali della Facoltà di lettere (Angelo De Gubernatis, Ignazio Guidi, Baldassarre Labanca, Ludovico Nocentini, Celestino Schiaparelli) come aggregazione di materie orientalistiche senza una base giuridica definita. Negli anni universitari di Maria Nallino, Giorgio Levi Della Vida teneva la cattedra di ebraico e lingue semitiche comparate, Michelangelo Guidi di lingua araba, Carlo Alfonso Nallino di storia e istituzioni musulmane. Nel 1929, sotto la guida di Giorgio Levi Della Vida, che ella amava ricordare come suo maestro, si laurea in lettere con il massimo dei voti e la lode con una tesi sul poeta arabo an-Nābiġah al-Ǧa'dī.

Del percorso di studi di Maria Nallino si conservano numerosi quaderni e rubriche di appunti oltre alla sua tesi di laurea. Ogni quaderno è dedicato a una specifica materia; nel caso dello studio delle lingue, il quaderno di teoria con le lezioni di grammatica è separato da quello degli esercizi di traduzione. In testa alle pagine è spesso annotato il numero progressivo delle lezioni cui gli appunti si riferiscono; da questa indicazione si ricava che alcuni quaderni sono incompleti. Era, inoltre, sua abitudine trascrivere su delle rubriche elenchi di vocaboli italiani con traduzione in altre lingue e viceversa. Dalla documentazione conservata emerge una cura meticolosa per lo studio, testimoniata dall’estrema precisione con cui Maria Nallino appuntava osservazioni linguistiche, regole lessicali e sintattiche. Queste caratteristiche sono evidenti anche nel suo primo contributo agli studi arabi: la tesi di laurea sul poeta an-Nābiġah al-Ǧa'dī, per la quale ha svolto un laborioso lavoro di raccolta e collazione di fonti antiche.