Su padre era ejecutivo de la publicidad y su madre, redactora de modas. El joven Marvin fue muy revoltoso, de forma que era expulsado de todos los colegios en los que sus padres le inscribían, por ser considerado incorregible. Sus padres le llevaron finalmente a Florida, para que realizase sus estudios escolares en una institución especializada, pero tampoco resultó.
Marvin se alistó entonces en el Cuerpo de Marines de los Estados Unidos, coincidiendo con el comienzo de la Segunda Guerra Mundial. En la batalla de Saipán, en junio de 1944, fue herido en la parte inferior de la espalda, lo cual le provocó daños serios en el nervio ciático. A raíz de ello fue declarado no apto para el servicio y enviado de baja a los Estados Unidos. Allí comenzó a trabajar como fontanero en Woodstock, en el estado de Nueva York. En una ocasión estaba realizando una reparación en el teatro municipal, cuando se le pidió que sustituyese en un ensayo a un actor ausente. Esta experiencia despertó en él un enorme entusiasmo por la interpretación. Se trasladó a Nueva York, y estudió y actuó en pequeños papeles, en teatros de menor importancia.[1]
Al cabo de un tiempo debutó en Broadway. Después de esta nueva experiencia se dedicó a la televisión, medio en el que estuvo interpretando numerosos papeles secundarios de poca importancia. Fue entonces cuando decidió trasladarse a Hollywood, donde consiguió actuar en películas de cada vez más relevancia encarnando a personajes serios, muy estructurados de sesgo oscuro pero siempre en la línea de líderes duros y carismáticos, que, no siendo protagonistas, se imponían en las tramas.[2]
En la década de 1960 se hizo conocido como protagonista de la serie de TV Ballinger de Chicago, con 117 episodios y sus papeles fueron creciendo en importancia. Así sus actuaciones se hicieron más frecuentes y relevantes, lo que le valió el reconocimiento del público y, ya en la década de 1970, también el de la crítica.[3]
En 1968, en la película Infierno en el Pacífico interpreta acertadamente a un naufrago que acosa a otro naufrago japonés (Toshiro Mifune) en una isla durante la Segunda Guerra Mundial. En 1969, de la mano del director Joshua Logan, Marvin, fue protagonista junto a un joven Clint Eastwood de La leyenda de la ciudad sin nombre, en la que demostró una habilidad en la que no se le había visto antes: la canción.[4] Su interpretación del tema Estrella errante acompañado por el coro de Roger Wagner, es sin duda la más destacada, con su peculiar voz de bajo extremo, que Jean Seberg describió como "lluvia gorgoteando por una tubería oxidada". Célebres son sus interpretaciones en los filmes Los doce del patíbulo (con John Cassavetes, Charles Bronson, Donald Sutherland...), Los profesionales (con Robert Ryan, Burt Lancaster, Claudia Cardinale) y A quemarropa, que albergan las mejores actuaciones de Marvin.[2]
Recibió en 1965 un inesperado Óscar al mejor actor principal por La ingenua explosiva, junto a Jane Fonda; una comedia musical del Oeste, en la que encarna a dos personajes, un pistolero borracho y su hermano malhechor. Este premio le colocó entre los actores más solicitados de Hollywood. Marvin se especializó preferentemente en películas de acción. En la última época de su vida, siguió actuando en películas muy dispares en cuanto a su calidad y su éxito en taquilla. Sin embargo, ya era una estrella del cine consagrada.[5]
Se casó por primera vez en 1951 con Betty Ebeling. El matrimonio tuvo un hijo y tres hijas. Tras 16 años, se divorció. En 1970 se casó por segunda vez con Pamela Feeley.[6]
Murió repentinamente de un ataque al corazón en Tucson, Arizona, a los 63 años de edad,[2] agravado por su alcoholismo y por un tabaquismo crónico. En su lápida en el cementerio militar de Arlington County, Virginia, puede leerse: «Lee Marvin. Soldado de Primera del Cuerpo de Marines de los Estados Unidos. Segunda Guerra Mundial».[5]