Connue pour...
Elle est née à Los Angeles, Californie, la fille de Carol Stromme, une chanteuse et ancienne enseignante, et Christopher Shelton, un directeur commercial et producteur. Marley Shelton a trois soeurs: Samantha (qui est aussi actrice), Koren, et Erin. Elle est diplômée à Eagle Rock High School. A l'université, elle a été meneuse et élue Reine de Promo. Elle est allée au bal des étudiants avec son petit copain d'alors, Nicholas Brendon.
Elle a commencé à jouer à la fin de son adolescence, et est apparue dans des plusieurs téléfilms et films dans les années 90. Elle a eu son premier rôle au cinéma en tant que petite amie de Roberto au camp dans le drame bien reçu, Grand Canyon. Après ce rôle elle est apparue en 1993, dans Le gang des champions en jouant le maître-nageur, Wendy Peffercorn. Son rôle l'amena a une plus grande attention. En 1995, elle a un petit rôle, dans Nixon, un film biographique d'Oliver Stone sur l'histoire de la vie politique et personelle de l'ancien président Richard Nixon dans lequel elle joue sa fille, Tricia Nixon Cox.
L'année suivante, Marley joue en 1996 aux côtés de Lynda Carter dans When Friendships Kills, un téléfilm sur le danger de l'anorexie mentale chez les adolescents. Elle est apparue face à Jennifer Love Hewitt dans la comédie romantique Trojan War, Sorti en septembre 1997. Elle décroche un rôle en 1997 dans le film fantastique Magic warriors, en jouant la Princesse Elysia. Ce film fut un échec au box office.
Ses premiers succès arrivent en 1998 avec la comédie fantastique Pleasantville, dans laquelle elle incarne Marguerite, la petite amie de Tobey Maguire. Ce rôle a été suivi par un certain nombre d'autres apparitions dans des films destinés à un public adolescent, en jouant le rôle d'un élève d'études secondaires en 1999 dans Collège attitude et la soeur de Renée Zellweger dans Le Célibataire. Cette même année, elle joue dans L'Association du mal, un drame indépendant mettant en vedette Dennis Hopper. Dans ce film, elle a joué Elsie Townsend, une fille qui veut partir loin et devenir riche. En 2001, Marley est apparue dans le film d'horreur Mortelle Saint-Valentin aux côtés de Denise Richards et David Boreanaz. Le film a été largement un succès, mais moins au box office avec 36 millions de dollars à travers le monde. Elle a également eu son premier rôle dans la comédie noire, Pomme et cannelle et est apparue dans Bubble Boy, un film mettant en vedette Jake Gyllenhaal.
Quelques années plus tard, elle joue dans des films indépendants, tels Just a Kiss, Dallas 362 et Grand Theft Parsons, réalisé par son père. Elle a obtenu plus de notoriété pour un petit rôle dans Sin City. Elle a également auditionné pour le rôle de Annabeth Schott dans la série télévisée À la Maison Blanche, mais le rôle a été donné à Kristin Chenoweth. Elle a un petit rôle en 2006 dans les films American Dreamz et The Last Kiss.
Elle a obtenu le rôle du Dr Dakota Block dans le film Grindhouse réalisé par Quentin Tarentino et Robert Rodriguez. Le film n'a pas obtenu de succès au box office mais a attiré des critiques élogieuses. La même année, elle a joué dans Le cinquième patient, un thriller indépendant, dans lequel elle joue le personnage Helen. L'année suivante elle a interprétée un rôle mineur dans le film biopic sur George W. Bush, W réalisé par Oliver Stone.
En octobre 2008, Marley joue Rachel Young, un agent du FBI dans la série Eleventh Hour, mais la série a été annulée après une saison.
En 2009, elle joue aux côtés de Milla Jovovich et Timothy Olyphant dans le thriller Escapade fatale. Le 1er juillet 2010, elle remplace Lake Bell pour le rôle de Judy Hicks dans Scream 4 ou elle joue le rôle d'une femme flic très sexy, ayant connu Sidney Prescott au lycée, pendant les évènements qui se sont déroulés dans le premier opus, Scream.