Marenzio erhielt seine Ausbildung als Chorknabe durch den Kirchenkapellmeister G Contino in Brescia; er trat schon 1580 mit einer zu Venedig erschienenen Sammlung von Madrigalen als Komponist an die Öffentlichkeit, weilte um dieselbe Zeit am Hof des Königs von Polen, kehrte jedoch 1581 wieder nach Italien zurück und fand in Rom, zuerst in Privatkapellen, ab 1595 aber in der päpstlichen Kapelle, seinen Wirkungskreis. Er starb am 22. August 1599.
Marenzio ist namentlich durch seine Madrigale bekannt geworden, welche ihm den Beinamen des "piu dolce cigno d'Italla" einbrachten, hat sich jedoch auch als Kirchenkomponist glänzend bewährt. Durch die Kühnheit seiner Modulation und den freien Gebrauch der Chromatik erscheint er als Vorläufer der bald nach seinem Tod zur Herrschaft gelangten dramatischen Musik, wiewohl ein 1585 aufgeführtes, von ihm komponiertes Festspiel (intérmedio): "Il combattimento d'Apolline col serpente", noch ganz im herkömmlichen Madrigalstil gehalten ist.