Marianne Denicourt apparaît pour la première fois à l’écran dans L’Argent de Robert Bresson. Elle suit ensuite les ateliers d’Antoine Vitez au Théâtre National de Chaillot avant d’intégrer la prestigieuse école du théâtre des amandiers dirigée par Patrice Chéreau. Elle sera Ophélie dans sa mise en scène d’Hamlet créé à Avignon dans la cour d’honneur du palais des Papes puis en tournée mondiale. Elle joue régulièrement au théâtre sous la direction de Pierre Roman, Luc Bondy, Louis-Do de Lenquesaing, Marc Paquien.

Marianne Denicourt tourne avec Patrice Chéreau, Jacques Doillon (L’amoureuse), Michel Deville (La lectrice) Jacques Rivette (La belle noiseuse, Haut bas fragile), Benoit Jacquot (Sade), Francis Girod, Arnaud Desplechin, Chris Menges, Christian de Chalonge, Romain Goupil, Raoul Ruiz , Claude Lelouch (Une pour toute, Les plus belles années d’une vie), Thomas Lilti (Hippocrate et Médecin de campagne).
Elle réalise deux documentaires en Afghanistan. Pour Nassima, une vie confisquée, diffusé sur France 2, elle reçoit en 2009 le prix média de la fondation pour l’enfance.
En 2014, Marianne Denicourt a été nommée pour le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour le film Hippocrate de Thomas Lilti.