Lamont Waltman Marvin előkelő és tehetős családban jött a világra, távoli rokonságban állt az Egyesült Államok alapító atyái közül Thomas Jeffersonnal és George Washingtonnal is. Apja a reklámszakmában tevékenykedett, anyja divatszakíró volt. Kamaszként már egyedül vadászott pumára és szarvasra a rengetegben, az iskolai fegyelmet azonban nehezen bírta. Több iskolából is eltanácsolták, ezért a második világháború alatt tanulmányait félbehagyva beállt a tengerészgyalogsághoz. A csendes-óceáni hadszíntéren súlyosan megsebesült, és a Bíbor Szív kitüntetéssel szerelt le. Később gyakran mondogatta: akkor tanult meg színészkedni, amikor a csatákban megpróbálta titkolni, mennyire fél.
A háború után alkalmi munkákból élt, és éppen vízvezetékszerelő-segédként dolgozott egy kis színházban, amikor megkérték egy gyengélkedő színész helyettesítésére. Így találta meg életcélját; később elvégezte a színiiskolát, és beindult karrierje. 1951-ben már a Broadwayn mutatkozott be, és ugyanebben az évben felfedezte a filmes szakmai is. Első szerepét a Henry Hathaway rendezte You’re in the Navy Now című alkotásban játszotta (ugyanebben debütált Charles Bronson is a vásznon), majd televíziós sorozatokra is felkérték.
Alkatához illő markáns, erős, sőt erőszakos, olykor brutális figurákat személyesített meg; játszott háborús, gengszter- és westernfilmekben, de vígjátékokban is. Sokak szerint összekötő kapocs volt Humphrey Bogart, James Cagney és a hetvenes-nyolcvanas évek modern hősei, mások mellett Clint Eastwood között. 1953-ban szerepelt a Fritz Lang rendezte Búcsúlevélben (The Big Heat), és még ugyanabban az évben Marlon Brando oldalán A vad című, Benedek László (Laslo Benedek) által rendezett „motoros filmben”. Bár addig soha nem ült ilyen járművön, néhány hét alatt olyan szintre jutott, hogy idővel sivatagi motorversenyeken indult. Játszott a Zendülés a Caine hadihajónban, valamint a legendafoszlató, Aki lelőtte Liberty Valance-t című westernben is. A John Ford rendezte utóbbiért bekerült a cowboyok dicsőségsarnokába, amire egész életében szerfelett büszke volt.
A Cat Ballou legendája című 1966-os cowboyparódiában (amelyben mások mellett Jane Fonda volt a partnere) két szerepben is keményfiú önmagát parodizálta, és alakításáért – első és egyetlen jelölésekor – elnyerte a legjobb színésznek járó Oscar-díjat, a Golden Globe-ot, a brit filmakadémia BAFTA-díját, továbbá a Berlinale legjobb színészi alakításnak járó Ezüst Medvét.
A hatvanas években készült a Szerencsevadászok és a második világháborús, parádés szereposztású A piszkos tizenkettő. Ez utóbbiban a kemény öklű, de a gonosztevőkből toborzott osztagához hű őrnagyot játszotta. Bár ez volt leghíresebb filmje, ő maga kevésbé kedvelte, saját bevallása szerint leginkább anyagi okok miatt vállalta el. Clint Eastwood oldalán egy szentimentális cowboyt alakított a Fesd át a kocsidat című filmben, amelyben pályafutása során először és utoljára énekelt: legnagyobb meglepetésére a dalból sláger lett, és miután több mint egymillió példányban kelt el, aranylemezt kapott érte, alakítása pedig újabb Golden Globe-jelölést ért. Steven Spielberg eredetileg őt szemelte ki A cápa főszerepére, de azt végül Robert Shaw formálta meg, felbukkant viszont 1985-ben A piszkos tizenkettő folytatásában. Utolsó szerepét a Chuck Norris főszereplésével forgatott Delta Kommandóban játszotta a halála előtti évben. Marvin négy filmjét is – Búcsúlevél, Rossz nap Black Rocknál, Aki lelőtte Liberty Valance-t, A játéknak vége – felvették az amerikai filmregiszterbe, így azok az amerikai filmörökség részei lettek.
A szálfatermetű (188 cm magas), láncdohányos (napi hat dobozt füstölt el), ősz hajú Marvin nem vetette meg az italt, főként a tequilát kedvelte, ez azonban a forgatások alatt soha nem látszott rajta. Kétszer nősült, házasságaiból négy gyermeke született, a legnagyobb feltűnést mégis egy barátnője keltette. Szakításuk után ugyanis a hölgy csillagászati összeget, kétmillió akkori dollárt próbált kiperelni a színésztől – felét annak az összegnek, amit Marvin kapcsolatuk alatt keresett. Bár első fokon a nő nyert (ekkor született a kifosztani jelentésű „marvinálni” ige Hollywoodban), a precedensértékű másodfokú határozat már egy fillért sem ítélt neki.
Lee Marvin 1987. augusztus 29-én halt meg szívinfarktus következtében Tucsonban. Hamvai az Arlingtoni Nemzeti Sírkertben nyugszanak veterántársa, az ökölvívó-legenda Joe Louis sírja közelében.
