Отниел Чарлз Марш родился 29 октября 1831 года в Локпорте[англ.], штат Нью-Йорк. В 1860 году окончил Йельский колледж, затем изучал геологию и минералогию в Шеффильдской Школе наук, после чего изучал палеонтологию и анатомию в Берлине, Гейдельберге и Бреслау. В 1866 году вернулся в Соединенные Штаты и был назначен профессором палеонтологии позвоночных Йельского университета. Он убедил своего дядю Джорджа Пибоди создать при этом университете Музей естественной истории Пибоди.
В 1868 году начал раскопки в Скалистых горах. Всего он описал более 400 видов ископаемых животных, в том числе 86 видов динозавров, включая бронтозавра и апатозавра (ныне отнесённых к одному роду), трицератопса и торозаврa (выделенных им в семейство цератопсид), диплодока, стегозавра, аллозавра, нодозавра и др., а также птерозавров, ранних лошадей, первых птиц (гесперорнис, ихтиорнис) и т. д. Его именем назван род птицетазовых динозавров — отниелия.
На поприще поисков окаменелостей, прославился также своей непримиримой враждой и соперничеством с Эдвардом Копом («костяные войны»), начавшейся с того, что он указал на ошибку Копа (при реконструкции найденного им плезиозавра принявшего хвост животного за шею).
В 1877 году Геологическое общество Лондона присудило учёному почетную награду — медаль Бигсби.
Учёный скончался 18 марта 1899 года.
Фото 1872 года, на ней американский палеонтолог Отниел Чарльз Марш (в центре, задний ряд) и помощники-рабочие. На фото: (в первом ряду, сидя на крайний слева) Томас Х. Рассел (Thomas H. Russell), позже профессор (клинической хирургии) в Йельском университете 29 лет и личный врач Марша. Они обнаружили почти идеальный скелет Hesperornis regalis
