Marta Karlweis wird in eine Theaterfamilie hineingeboren. Wie auch ihre Schriftstellerinnen-Kollegin Maria Lazar, besucht sie die Schule der Eugenie Schwarzwald, an der einige prominente Persönlichkeiten des Wiener kulturellen Lebens lehren, darunter Adolf Loos und Oskar Kokoschka. Nach dem Abitur beginnt sie ein Psychologie-Studium, das sie allerdings schon 1907 abbricht, um den Industriellen Walter Stross zu heirateten. Aus dieser Ehe gehen die Töchter Bianka und Emmy hervor. Die Sommer werden in der KünstlerInnen-Enklave Altaussee verbracht. Ihr zweiter Ehemann ist der deutsche Bestsellerautor der Zwischenkriegszeit Jakob Wassermann (u.a. „Caspar Hauser“, „Der Fall Maurizius“). Diesen lernt sie bereits 1915 im Altausseer-Kreis kennen.

Als Literatin tritt Marta Karlweis erstmals 1913 mit der Erzählung „Der Zauberlehrling“ an die Öffentlichkeit. 1919 folgt der viel beachtete erste Roman „Die Insel der Diana“. Darüber hinaus ist sie auch als Essayistin und Journalistin tätig. In Wien frequentiert sie den stadtbekannten Salon von Berta Zuckerkandl, in dem sie immer wieder ihre Werke vorstellen kann. In ihren lesenswerten Romanen versteht sie es literarisch meisterhaft die Welt des Adels, des Groß- und Kleinbürgertums - Glanz und Elend im Wien der ersten Hälfte des 20 Jahrhunderts darzustellen – nicht zuletzt deswegen gibt es oftmals ein Geleitwort von Thomas Mann.

Ein bei der Literaturkritik viel beachteter Roman ist „Ein österreichischer Don Juan“, 1929 in Zürich erschienen. Nach dem frühen Tod von Jakob Wassermann 1934 übersiedelt Marta Karlweis in die Schweiz und nimmt ihr Psychologiestudium bei C.G. Jung wieder auf. Sie publiziert in der „Weltwoche“ und der „Pariser Tageszeitung“. Eines ihrer letzten Bücher ist 1935 eine Biographie über ihren verstorbenen Ehemann Jakob Wassermann. 1939 wandert sie nach Kanada aus, hält Vorlesungen und eröffnet eine psychiatrische Praxis. Bei einem Besuch bei Tochter Bianca im Tessin verstirbt sie am 2.11.1965 und wird auch dort begraben.