Titulaire d'une maîtrise en biologie et en génétique à la faculté de sciences Paris VI et d'un Diplôme d'études approfondies (DERBH) en cancérologie et immunologie de la faculté de médecine Paris-Sud, Margot Tirmarche est une épidémiologiste dont l'activité a été essentiellement tournée vers l'étude des risques de cancer lié aux expositions aux rayonnements ionisants, notamment le radon.

Dès 1976, à l'IGR (Institut Gustave Roussy), elle participe à une étude épidémiologique internationale afin de mieux évaluer les facteurs de risques (tabac, amiante) du cancer du poumon.

En 1980, elle entre au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) pour s'occuper notamment du suivi à long terme des mineurs de l'uranium, permettant de mieux appréhender le risque de cancer lié à l'inhalation des descendants du radon.

En 1992, Margot Tirmarche rejoint l'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire (remplacé par l'IRSN en 2002), où elle est responsable de projets de recherche au niveau national et international. A partir de 2009, elle assure à la Direction scientifique, puis à la Direction de la stratégie, du développement et du partenariat de l'institut l'animation scientifique et la coordination des programmes de recherche en radioprotection.

Au plan international, elle est également membre de la Commission internationale de protection radiologique (CIPR), de l'United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR) et de l'Organisation mondiale de la santé (OMS). Au plan européen, elle a évalué des projets de recherche et assuré la coordination scientifique et technique de plusieurs programmes de recherche en épidémiologie.