Народився 12 травня1988 року в Ріо-де-Жанейро. Вихованець футбольної школи клубу «Флуміненсе». Дорослу футбольну кар'єру розпочав 2005 року в основній команді того ж клубу, в якій провів два сезони сезон, взявши участь у 28 матчах чемпіонату. Більшість часу, проведеного у складі «Флуміненсе», був основним гравцем захисту команди.
До складу клубу «Реал Мадрид» приєднався на початку січня 2007 року. Наразі встиг відіграти за королівський клуб понад 250 матчів у національному чемпіонаті. За цей час тричі виборював титул чемпіона Іспанії та чотири рази ставав переможцем Ліги Чемпіонів Уєфа в сезонах 2013–2014, 2015–2016, 2016–2017 та 2017-18. У фіналі Ліги Чемпіонів 2014 року став автором гола в ворота «Атлетіко». В фіналі ЛЧ 2015—2016 реалізував одін з післяматчевих пенальті. Загалом Марсело завоював 20 трофеїв разом з «Реал Мадрид».
Став автором першого голу домашнього для бразильців чемпіонату світу 2014 року, зрізавши м'яч у власні ворота на 11 хвилині матчу-відкриття турніру проти збірної Хорватії 12 червня 2014 року. Таким чином увійшов в історію чемпіонатів світу, оскільки до цього жодного разу перший гол мундіалю не був автоголом[5].