Lee Marvin nace en la ciudad de Nueva York el 19 de Febrero de 1924. Sus padres eran Lamont Marvin, un agente de publicidad y Courtney Marvin, periodista de modas. A pesar de la buena posición económica de su familia, Lee se rebeló como un muchacho problemático e indisciplinado que fue expulsado de todos los colegios a los que acudió.

Cuando sus padres ya no veían remedio a su comportamiento rebelde lo alistaron al Cuerpo de Marines coincidiendo con el comienzo de la Segunda Guerra Mundial. En la batalla de Saipan, en junio de 1944 fue herido en la parte inferior de la espalda, lo cual provocó daños serios en el nervio ciático. A raíz de ello fue declarado no apto para el servicio y enviado a los Estados Unidos.

Allí comenzó a trabajar como fontanero en Woodstock, 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 Marvin un enorme entusiasmo por la interpretación. Se fue a la ciudad de Nueva York comenzando a estudiar con ahínco interpretación y a actuar en pequeñas representaciones teatrales.

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.

Su primer papel en Hollywood, y donde no apareció en los créditos, fue en "You're in the navy now" (1951), una película dirigida por Henry Hathaway y protagonizada por Gary Cooper y Jane Greer. Su fuerte aspecto físico lo caracterizó rápidamente en papeles de rudos y crueles personajes.

Luego le seguirían "Hangman's Knot" (1952) de Roy Haggins, "We're Not Married" (1952) de Edmund Goulding, "Los sobornados" (The Big Heat, 1953) de Fritz Lang, "Fiebre de venganza" (Gun Fury, 1953) de Raoul Walsh, "Salvaje!" (The Wild One, 1953) de László Benedek, "El motín del Caine" (The Caine Mutiny, 1954) de Edward Dmytryck, "Los Blues de Pete Kelly" (Pete Kelly's Blues, 1955) de Jack Webb, "Conspiración de silencio" (Bad Day at Black Rock, 1955) de Jonh Sturges, "Sábado trágico" (Violent Saturday, 1955) de Richard Fleisher, "Ataque!" (Attack, 1956) de Robert Aldrich, "Seven Men from Now" (1956) de Budd Boetticher, "El árbol de la vida" (Raintree County, 1957) de Edward Dmytryck

En estas películas consiguió actuar en papeles de cada vez más relevancia encarnando a personajes malvados pero siempre carismáticos que, no siendo los protagonistas, se imponían en las tramas. En los años 60 sin perder esa aureola de hombre duro, Lee Marvin comenzó a efectuar una traslación hacia papeles con mayor protagonismo especialmente derivado del éxito de su serie detectivesca de televisión "Mr. Squad", que estuvo interpretando desde 1957 hasta 1959.

En la década de los sesenta brilló en títulos estupendos como "Los comancheros" (The Comancheros, 1961) de Michael Curtiz, "El hombre que mató a Liberty Valance" (The Man Who Shot Liberty Valance, 1962) y "La taberna del irlandés" (Donovan's Reef, 1963) de John Ford, "Código del hampa" (The Killers, 1964) de Don Siegel, "La ingenua explosiva" (Cat Ballou, 1964) de Elliot Silverstein, "El barco de los locos" (Ship of Fools, 1965) de Stanley Kramer, "Los profesionales" (The Professionals, 1966) de Richard Brooks, "Los doce del patíbulo" (The Dirty Dozen, 1967) de Aldrich, "A quemarropa" (Point Blank, 1967) e "Infierno en el pacífico" (Hell in the Pacific, 1968) de John Boorman y "La leyenda de la ciudad sin nombre" (Paint Your Wagon, 1969) de Joshua Logan.

Por su actuación al lado de Jane Fonda en "Cat Ballou" (La ingenua explosiva, 1965), logró el apreciado Oscar al mejor intérprete masculino principal, una comedia 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, y Marvin se especializó preferentemente en películas de acción.

Los 70s le traerían films de éxito como "Monte Walsh" (1970) de William A. Fraker, "Carne viva" (Prime Cut, 1972) de Michael Ritchie, "Los indeseables" (Pocket Money, 1972) de Stuart Rossenberg, "El emperador del norte" (Emperor of the North, 1973) de Aldrich, "El repartidor de hielo" (The Iceman Cometh, 1974) de John Frankenheimer, "El hombre del clan" (The Klansman, 1974) de Terence Young, "The Great Scout and Cathouse Thursday" (1976), "Shout at the Devil" (1976) de Peter R. Hunt y "Avalanche Express" (1979) de Mark Robson.

En la última época de su vida, Marvin 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. "Uno rojo: División de choque" (The Big Red One, 1980) de Sam Fuller, Death Hunt (1981), Gorky Park (1983) de Michael Apted, "Doce del patíbulo: La última misión" (The Dirty Dozen: The Next Mission, 1985) y su última película "Delta Force" (The Delta Force, 1986) de Menahalen Golam.

Lee se casó por primera vez en 1951 con Betty Ebeling (1951-1967), con la que tuvo un hijo y tres hijas y de la que tras 16 años se divorció. En 1970 se casó por segunda vez con Pamela Feeley (1970-1987). Al margen de sus dos enlaces, Lee mantendría un largo y sonado noviazgo con Michelle Triola, quien tras convivir seis años en la década de los 70 con Marvin, le exigió en un publicitado pleito una gran cantidad de dinero como pensión. Al final, el juzgado le concedió una pequeña cantidad a tanto alzado.

Lee Marvin fallecería de un repentino ataque al corazón el 29 de agosto de 1987 en Tucson, Arizona, a los 63 años de edad. Se encuentra enterrado en el "Arlington National Cemetery" de Arlington, Virginia.