Issu d'un milieu aisé, Lee Marvin fait ses études dans différentes écoles privées de l'Est, dont il est systématiquement renvoyé pour indiscipline. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il s'engage dans les marines (1943) et une grave blessure l'immobilise pendant plus d'un an. Il multiplie ensuite les petits boulots et fait ses débuts au théâtre. Il joue à Broadway en 1951 dans Billy Budd, une adaptation d'un roman d'Herman Melville. La même année, Henry Hathaway fait appel à lui pour un premier petit rôle au cinéma.
La carrière de Lee Marvin se dessine dans les années 1950, où il accumule les seconds rôles de durs. Gangster sadique dans Règlement de comptes (1952) de Fritz Lang, il se retrouve au côté de Marlon Brando, chef des blousons noirs, dans L'Equipée sauvage (1953) de Laslo Benedek ou d'Humphrey Bogart en marin dans Ouragan sur le Caine (1954) d'Edward Dmytryk. Doté d'une physionomie impressionnante, il sait faire passer une sorte d'humour noir dans des personnages souvent cyniques et terrifiants. Devenant peu à peu une star, il est l'interlocuteur privilégié de John Wayne dans Les Comancheros (1961) de Michael Curtiz, puis dans L'Homme qui tua Liberty Valance (1962) et La Taverne de l'Irlandais (1962) de John Ford. Dans ce dernier film, sa décontraction dénote un certain don pour la comédie. Il retrouve un rôle de tueur implacable dans un de ses meilleurs films, A bout portant (1964) de Don Siegel. Cette même année, il atteint la consécration avec Cat Ballou d'Eliott Silverstein et remporte un Oscar pour son interprétation d'ivrogne. Alors que son crâne se pare d'une précoce chevelure blanche, Lee Marvin impose sa démarche paresseuse, ses colères et sa détermination au service de causes douteuses dans des films devenus des classiques (Les Professionnels, 1966, de Richard Brooks ; Les Douze Salopards, 1967, de Robert Aldrich). John Boorman l'utilise au faîte de sa gloire et de son talent dans Le Point de non-retour (1967) et dans Duel dans le Pacifique (1968). Par la suite, Lee Marvin ne trouve plus de rôle à sa mesure. En 1979, il prouve qu'il n'a rien perdu de son talent et parvient à émouvoir sous les traits d'un sous-officier dans Au delà de la gloire de Samuel Fuller.
Lee Marvin mène parallèlement une carrière à la télévision et la série Mr Squad, tournée au début des années 1960, contribue largement à sa notoriété.
Courts métrages 1967 | Our Time in Hell | Laurence E. Mascott |
Longs métrages| 1950 | Teresa | Fred Zinnemann |
| 1950 | You're in the Navy Now = U.S.S. Teakettle La Marine est dans le lac | Henry Hathaway |
| 1951 | Diplomatic Courier Courrier diplomatique | Henry Hathaway |
| 1951 | Duel at Silver Creek (The) Duel sans merci | Don Siegel |
| 1951 | Hong Kong | Lewis R. Foster |
| 1951 | We're Not Married Cinq mariages à l'essai | Edmund Goulding |
| 1952 | Eight Iron Men | Edward Dmytryk |
| 1952 | Hangman's Knot Le Relais de l'or maudit | Roy Huggins |
| 1953 | Big Heat (The) Règlement de comptes | Fritz Lang |
| 1953 | Caine Mutiny (The) Ouragan sur le Caine | Edward Dmytryk |
| 1953 | Down Among the Sheltering Palms | Edmund Goulding |
| 1953 | Glory Brigade (The) | Robert D. Webb |
| 1953 | Gun Fury Bataille sans merci | Raoul Walsh |
| 1953 | Seminole L'Expédition du Fort King | Budd Boetticher |
| 1953 | Stranger Wore a Gun (The) Les Massacreurs du Kansas | André De Toth |
| 1953 | Wild One (The) L'Equipée sauvage | Lazslo Benedek |
| 1954 | A Life in the Balance | Harry Horner |
| 1954 | Bad Day at Black Rock Un homme est passé | John Sturges |
| 1954 | Gorilla at Large | Harmon Jones |
| 1954 | Raid (The) | Hugo Fregonese |
| 1955 | I Died a Thousand Times La Peur au ventre | Stuart Heisler |
| 1955 | Not As a Stranger Pour que vivent les hommes | Stanley Kramer |
| 1955 | Pete Kelly's Blues La Peau d'un autre | Jack Webb |
| 1955 | Pillars of the Sky Les Piliers du ciel | George Marshall |
| 1955 | Rack (The) | Arnold Laven |
| 1955 | Seven Men from Now Sept hommes à abattre | Budd Boetticher |
| 1955 | Shack Our on 101 | Edward Dein |
| 1955 | Violent Saturday Les Inconnus dans la ville | Richard Fleischer |
| 1956 | Attack Attaque | Robert Aldrich |
| 1956 | Raintree County L'Arbre de vie | Edward Dmytryk |
| 1958 | Missouri Traveler (The) | Jerry Hopper |
| 1961 | Comancheros (The) | Michael Curtiz |
| 1961 | Man Who Shot Liberty Valance (The) L'Homme qui tua Liberty Valance | John Ford |
| 1962 | Donovan's Reef La Taverne de l'Irlandais | John Ford |
| 1962 | Meanest Men in the West (The) Il était une fois deux salopards | Samuel Fuller, Charles S. Dubin |
| 1963 | Sergeant Ryker L'Odyssée d'un sergent | Buzz Kulik |
| 1964 | Cat Ballou | Elliot Silverstein |
| 1964 | Killers (The) A bout portant | Don Siegel |
| 1964 | Ship of Fools La Nef des fous | Stanley Kramer |
| 1965 | Professionals (The) Les Professionnels | Richard Brooks |
| 1966 | Dirty Dozen (The) Les Douze salopards | Robert Aldrich |
| 1967 | Point Blank Le Point de non-retour | John Boorman |
| 1967 | Tonite Let's All Make Love in London | Peter Whitehead |
| 1968 | Hell in the Pacific Duel dans le Pacifique | John Boorman |
| 1968 | Paint Your Wagon La Kermesse de l'Ouest | Joshua Logan |
| 1969 | Monte Walsh | William A. Fraker |
| 1971 | Pocket Money Les Indésirables | Stuart Rosenberg |
| 1971 | Prime Cut Carnage | Michael Ritchie |
| 1973 | Emperor of the North Pole L'Empereur du nord | Robert Aldrich |
| 1973 | Iceman Cometh (The) | John Frankenheimer |
| 1974 | Klansman (The) L'Homme du clan | Terence Young |
| 1974 | Spikes Gang (The) Du sang dans la poussière | Richard Fleischer |
| 1975 | Shout at the Devil Parole d'homme | Peter Hunt |
| 1976 | Great Scout and Cathouse Thursday (The) Un cow-boy en colère | Don Taylor |
| 1978 | Avalanche Express | Mark Robson |
| 1978 | Big Red One (The) Au delà de la gloire | Samuel Fuller |
| 1979 | Sam Fuller and the Big Red One | Thys Ockersen |
| 1980 | Death Hunt Chasse à mort | Peter Hunt |
| 1983 | Canicule | Yves Boisset |
| 1983 | Gorky Park | Michael Apted |
| 1985 | Delta Force | Menahem Golan |