Zijn vader werkte in een reclamebureau, zijn moeder schreef over mode. Zelf werd Lee Marvin op jonge leeftijd meermaals van school gestuurd wegens wangedrag. Hij kon uiteindelijk aan de slag als marinier in het Amerikaanse leger en diende zelfs de Natie zoals dat heet, tijdens de tweede Wereldoorlog, iets waar hij trouwens voor werd onderscheiden met een Purple Heart nadat hij gekwetst was geraakt.

Hij werkte even als loodgieter maar vond dat dit niet zijn ding was waarna hij werd gevraagd om een zieke acteur/figurant te vervangen in een stuk dat gebracht werd door een toneelgezelschap. Hij ging hierna studeren aan de American Theatre Wing in New York waarna hij aan de slag ging op Broadway. In 1951 kreeg hij dan een rol in de Broadway-produktie van Billy Budd. Datzelfde jaar maakte hij net als Charles Bronson zijn langspeelfilmdebuut in You're in the Navy Now (1951).

Lee Marvin was bijzonder succesvol in de tv-serie M Squad op NBC die liep van 1957 tot 1960 en waarin hij een gedreven maar eerlijke rechercheur speelde. In 1962 was hij te zien in een voor hem belangrijke film, The Man Who Shot Liberty Valance van John Ford met ook John Wayne en James Stewart in de cast.
Zijn herkomst zal er allicht heel wat mee te maken hebben maar Lee Marvin was in zijn lange carrière te zien in heel wat oorlogsfilms. En toch kreeg hij zijn Oscar voor een film in een ander genre toen hij anno 1966 een Academy Award kreeg voor Beste acteur voor zijn dubbelrol als een oude, door motten aangevreten, aan alcohol verslaafde ex-revolverheld en zijn moordzuchtige broer in Cat Ballou, een… komedie! Ook afwijkend van het soort films waarin hij te zien was: zijn rol in de musical Paint Your Wagon die flopte.

In 1951 trouwde Lee Marvin met Bette Edeling in het Wee Kirk O' The Heather in Las Vegas. Ze kregen samen vier kinderen: Christopher (°1952), Courtenay (°1954), Cynthia (°1956)en Claudia (°1958). De twee scheidden op 4 januari 1967.

En dan is er nog dat verhaal rond Michelle Triola (°1933), een zwartharige, gescheiden, Rooms-katholieke zangeres die in Ship of Fools (1965) één van de figuranten was en waar hij jarenlang een relatie mee had maar er nooit mee trouwde. De twee gingen uit elkaar, zij veranderde haar naam pas vier dagen voor de breuk. Die kwam er misschien niet om financiële redenen, de realiteit was wel dat ze de acteur voor de rechtbank daagde en op de eerste zitting uitpakte met de stelling "I gave Lee the best years of my life" wat prompt werd onthaald op Lee's reactie "I also gave her the best years of her life." Wanneer haar werd gevraagd waarom ze Lee Marvin voor de rechtbank bracht reageerde ze met de woorden "Lee is probably the most pure man I have ever known in my entire life. That's why I have to sue him.". Daar hing ook een prijskaartje aan vast want Triola vroeg maar liefst 3.6 miljoen Dollar schadevergoeding. Na elf weken besliste de rechter in het voordeel van Marvin maar zijn ex bleef aanvankelijk niet met lege handen achter. De rechtbank kende haar "an equitable sum of $104.000 to re-educate herself so that she may return from her status as a companion of a motion picture star to a separate, independent, but perhaps more prosaic existence." Marvin ging in beroep en met succes waardoor ze met lege handen achterbleef. Of toch bijna want volgens een bron werd Marvin verplicht om een klein bedrag te betalen zodat Triola haar normale leven weer zou kunnen opnemen...
In 1981 werd ze veroordeeld voor een winkeldiefstal, ze had in een winkel in Beverly Hills 2 bh's en twee sweaters gestolen...
Begin de jaren '80 trok ze dan in bij de toen nog getrouwde Dick Van Dyke en noemde zich vanaf dan Michelle Van Dyke.
In 1970 hertrouwde Lee Marvin in Las Vegas, Pamela Freeley werd zijn tweede echtgenote. Ze bleven samen tot op de dag van zijn dood.

Een topacteur die ook kan zingen, het is weinigen gegeven en je verwacht het zeker niet van iemand als Lee Marvin. Volledig ten onrechte want hij bereikte op 7 maart 1970 de hoogste plaats van de hitparade met de song Wand'rin Star, een liedje over een man die niet kan aarden in één specifieke plaats. Hij stond er maar liefst 3 weken mee bovenaan de charts.

In 1973 was Marvin te zien in één van de meest onderschatte rollen uit zijn carrière, die van Hicky in de verfilming van The Iceman Cometh, een stuk van Eugene O'Neill.

In 1979 werd Marvin: The Story of Lee Marvin uitgebracht, geschreven door Donald Zee.

Lee Marvin stierf aan een hartaanval in Tucson Arizona op 63-jarige leeftijd. Als laatste eerbetoon kreeg hij een militaire begrafenis. Hij is begraven op het Arlington National Cemetery.