Matka Marlohe, nauczycielka, jest Francuzką, a ojciec, lekarz, pochodzi z Kambodży i jest w połowie Chińczykiem.
Studiowała 10 lat na prestiżowej uczelni Conservatoire de Paris. Miała kłopoty ze zdobyciem pracy we Francji; grywała bardzo małe role. Uwagę francuskich widzów zwróciła dopiero udziałem w reklamie samochodu Dacia Duster. Jednak to rola u boku Daniela Craiga przyniosła jej największą sławę.