Muriel Domenach est ancienne élève de l'Ecole Nationale d'Administration, du Collège d'Europe à Bruges et de l'Institut d'études politiques de Paris.

De 1999 à 2001, Muriel Domenach a été Chargée de mission sur la politique européenne de sécurité et de défense, au sein de la Délégation aux Affaires stratégiques du ministère de la Défense, puis Conseillère technique pour les affaires internationales auprès du ministre de la Défense.

Elle a rejoint le ministère des Affaires étrangères en 2002 en tant qu'Adjointe au sous-Directeur des Affaires stratégiques, de Sécurité et du Désarmement (DGP/ASD/ASP) jusqu'en septembre 2004 avant de partir pour Bruxelles comme Conseillère pour les Affaires de défense à la Délégation Permanente de la France auprès de l'OTAN.

Muriel Domenach est Directrice adjointe du Centre d'Analyse et de Prévision au ministère des Affaires étrangères et européennes depuis septembre 2007.