Marshall Thompson commence sa carrière au cinéma dans les années 1940, en enchaînant des rôles dans des films en tout genre. Il devient dans les années 1950, un acteur indépendant, travaillant dans différents studios.
C'est avec la série télévisée Daktari qu'il connait une grande notoriété internationale. Personnage principal de la série, il incarne durant 89 épisodes, le rôle de Marsh Tracy, un vétérinaire de brousse.
Également auteur, producteur et scénariste, il collabore dans d'autres œuvres pour la MGM Television, comme la série Flipper le dauphin, où il apparaît d'ailleurs dans un épisode.