Marciello debutta nei kart nel 2003 e partecipa a diversi campionati europei, riuscendo a passare dalle categorie minori alla categoria KF3 dal 2007.
Nel 2010 Marciello passa alle monoposto, correndo nell'inedito campionato della Formula Abarth in Italia con JD Motorsport. Vince la gara d'apertura a Misano con un sorpasso all'ultimo giro e vince anche a Varano. A causa dell'incidente a Imola Marciello perde il campionato. Grazie anche ad altri due podi, arriva 3º[1]. Marciello diventa membro del Ferrari Driver Academy[2].
Formula 3
Marciello passa alla Formula 3 italiana nel 2011, con la Prema Powerteam. Vince a Misano e ad Adria e ottiene altri quattro podi, concludendo 3º e perdendo il titolo dei debuttanti contro Michael Lewis, ma sopravanzando Maïsano di 7 punti[3].
Nel 2012, Marciello continua la sua collaborazione con la Prema Powerteam nella Formula 3 Euro Series[4] e nella rediviva Formula 3 europea. Nell'Euro Series conclude 3º con dieci podi e sei vittorie, mentre nell'europea arriva 2º, con nove podi e sette vittorie. In entrambi i campionati segna più vittorie di tutti gli altri.
Nel 2013 conquista il titolo di campione nella serie europea con il maggior numero di vittorie in assoluto (13).[5]
Il 20 gennaio 2014, la Ferrari Driver Academy ha confermato che Marciello avrebbe corso in GP2 nel 2014, senza specificare in quale squadra[7]. Il 18 febbraio è stato annunciato che la squadra era la Racing Engineering[8]. Nel corso della stagione ottiene una vittoria, chiudendo all'8ª posizione della classifica generale.
Per la stagione 2015 viene ingaggiato dal team Trident Racing[9]. Nell'arco della stagione riuscì a ottenere quattro podi nei gran premi di Silverstone, di Monaco, di Sochi e di Abu Dhabi, chiudendo il campionato in 7ª posizione.
Mentre per la stagione 2016 viene ingaggiato dal team russo Russian Time insieme a Artëm Markelov[10]. Il pilota italiano si dimostra molto veloce, ottiene quattro terzi posti e sfiora la vittoria in due occasioni, nella Feature Race di Monza dove arriva secondo dietro a Antonio Giovinazzi e nella Sprint Race di Sepang dietro a Luca Ghiotto. Marciello chiude la stagione con 159 punti che gli valgono il quarto posto in campionato dietro Gasly, Giovinazzi e Sergey Sirotkin.
Nel 2017, la serie viene rinominata in Formula 2, il pilota italiano partecipa solo alle due gare del Red Bull Ring con il team Trident Racing[11].
Per la stagione 2017 Marciello lascia le corse in monoposto, diventa un pilota della Mercedes e firma un contratto con il AKKA ASP team per correre nel Blancpain GT Series (attuale GT World Challenge Europe) con Edoardo Mortara e Michael Meadows come compagni di squadra[19]. Attira l'attenzione su di sé alla 24 Ore di Spa dove guida per 13 ore e 56 minuti e termina la gara al terzo posto, dimostrando una velocità decisamente superiore a tutti gli altri piloti Mercedes. Nello stesso anno inizia a correre sul Nurburgring Nordschleife e al GP di Macao nella gara riservata alle GT3, chiamata FIA GT World Cup. Inoltre, sempre con la Mercedes prende parte a dei test del DTM al EuroSpeedway Lausitz[20].
Per la stagione 2018 Marciello diventa pilota ufficiale Mercedes[21], inizia un intenso programma nel GT, partecipa alla Blancpain GT Series Asia dove nella classe Pro-Am ottiene tre vittorie e chiude terzo in classifica finale. Ritorna a correre anche nella Blancpain GT con l'auto n°88 team Akka sia nelle serie sprint con Michael Meadows, sia nelle endurance con Tristan Vautier e Daniel Juncadella. Vince la Sprint Cup dove ottiene anche due vittorie di tappe e chiude secondo nella Endurance Cup, questi risultati lo portano a vincere anche la classifica assoluta[22]. Chiude l'anno vincendo anche la 10 Ore di Suzuka[23].
Nel 2019 diventa pilota di riserva del team di Formula E, Dragon Racing, ha anche la possibili di scendere in pista nei Rookie test sul Circuito di Marrakech e poi sul Autodromo Hermanos Rodríguez[24][25]. Nello stesso periodo non lascia i suoi impegni in GT, ottiene tre vittorie nella Sprint Cup insieme a Vincent Abril, il duo chiude terzo in classifica, mentre nella serie Endurance risulta la sua peggiore stagione. Lo stesso anno vince la Coppa del Mondo FIA GT a Macao, diventando il primo italiano a riuscirci[26].
L'anno seguente partecipa all'intera stagione della ADAC GT Masters dove ottiene due podi con una vittoria a Oschersleben. Marciello partecipa al GT World Challenge Europe, nella serie Sprint con il russo Timur Boguslavskiy e nell'Endurance si aggiunge al duo Felipe Fraga[27]. Come nel 2019 chiude terzo nella Sprint Cup e poi chiude quinto nella Endurance.
Nel 2021 il pilota italiano chiude quarto nel ADAC GT Masters, mentre nel GT World Challenge Europe chiude secondo nella classifica assoluta, dietro al duo dell'Audi, Dries Vanthoor e Charles Weerts. Lo stesso anno partecipa per la prima volta alla 24 Ore di Daytona, Marciello scende i pista nella classe GTD, guidando la Mercedes-AMG GT3 Evo del team SunEnergy1 Racing[28]. L'equipaggio ottiene un ottimo risultato chiudendo secondo nella propria classe.
Nel 2023 partecipa alla 24 Ore di Daytona con il team High Class Racing, il pilota italiano per la prima volta porterà in pista un prototipo LMP2, che dividerà con Dennis Andersen, Ed Jones e Anders Fjordbach[31]. Come l'anno precedente vince l'Endurance Cup del GTWCE insieme a Timur Boguslavskiy e Jules Gounon[32]. Mentre nella Sprint Cup chiude al secondo posto in classifica dietro al duo Mattia Drudi e Ricardo Feller. Questi risultati portano Marciello a vincere, per la terza volta, la classifica assoluta della GTWCE.
Il 13 novembre del 2023, Marciello annuncia la sua separazione con la Mercedes dopo sei anni trascorsi come pilota ufficiale. A Macao, durante la Coppa del Mondo FIA GT 2023, partecipa e vince alla sua ultima corsa con il marchio tedesco[33].
Marciello è stato confermato anche per la stagione 2025. Il pilota italo-svizzero correrà nel campionato WEC sulla vettura #15 al fianco di Kevin Magnussen e Dries Vanthoor. [40]
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