Гай Клавдий Марцелл Младший был сыном претора 80 года, имевшего такое же имя — Гай Клавдий Марцелл. Мать его носила имя Юния.. Происходили они из плебейской ветви Клавдиев, ведущей свой род от Марка Клавдия Марцелла, знаменитого консула III века до н. э. и прославленного полководца второй пунической войны.
Марцелл женился на Октавии Младшей, внучатой племяннице Юлия Цезаря и сестре Октавиана. У них было три ребенка: две дочери (Клавдия Марцелла Старшая и Клавдия Марцелла Младшая), рождённые в Риме и сын Марк, рождённый в Байях.
В 54 до н. э. Цезаря пытался устроить развод Октавии с Марцеллом, для того чтобы выдать её замуж соперника и зятя — Помпея, жена которого, Юлия, к этому времени умерла. Однако, Помпей отклонил план Цезаря, а Марцелл перешёл в оппозицию Цезарю. В год своего консульства (50 до н. э.) Марцелл пытался отозвать Цезаря из Галлии, где последний находился в ранге проконсула, и лишить его командования армией. Он также препятствовал получению Цезарем заочно второго консульского срока, настаивая на его личном приезде в Рим, оставив легионы в Галлии. Когда Цезарь, в итоге, вторгся в Италию в 49 до н. э., Марцелл, в отличие от своего брата Марка Клавдия Марцелла, косула 51 до н. э. и двоюродного брата, консула 49 до н. э. Гая Клавдия Марцелла Старшего не взялся за оружие и был Цезарем впоследствии прощен.
В 47 до н. э. Марцелл примирил Цезаря со своим кузеном и тезкой Гаем Клавдием Марцеллом Старшим, жившим тогда в ссылке.
Марцелл умер в мае 40 до н. э.. Пять месяцев спустя его вдова вышла замуж за Марка Антония.