Element paliwowy reaktora MARIA składa się z 6 (typ MR) lub 5 (typ MC) koncentrycznych rur o grubości 2 mm, oddzielonych 2.5-milimetrową szczeliną wodną. Woda w szczelinach między rurami paliwowymi odgrywa podwójną rolę. Po pierwsze stanowi moderator (spowalniacz) neutronów, potrzebny do tego aby neutrony prędkie, powstające w trakcie rozszczepień spowolnić do energii termicznych, przy których wydajnie następują kolejne rozszczepienia jąder 235U. Woda pełni również rolę chłodziwa, czyli służy do odbioru ciepła, generowanego w paliwie.

W pojedynczym elemencie paliwowym jest do 485 g 235U. Materiał paliwowy stosowany w reaktorze MARIA jest dyspersją tlenku uranu (paliwo rosyjskie MR) lub krzemku uranu (paliwo francuskie MC) w aluminium. Warstwa paliwowa o grubości 0.8 mm umieszczona jest między dwoma warstwami tzw. koszulki paliwowej, co zapobiega uwalnianiu produktów rozszczepień do chłodziwa. 

W rdzeniu reaktora MARIA znajduje się od 6 do 7.5 kg uranu-235. Ilość ta zależy od konfiguracji rdzenia, wypalenia paliwa oraz aktualnego programu pracy. Elementy paliwowe są usuwane z rdzenia po osiągnięciu wypalenia ²³⁵U w granicach 40-60%. Dalsze wypalanie paliwa jest niekorzystne z ekonomicznego punktu widzenia.

Po zakończeniu pracy w rdzeniu paliwo jest przeładowywane do basenu przechowawczego, skąd po kilkuletnim okresie schładzania jest odbierane przez producenta.