В детстве, вероятно, обучался церковному пению в Бреше, затем переехал в Рим и до 1578 года находился на службе у кардинала Кристофоро Мадруццо в качестве певчего. После смерти кардинала Мадруццо поступил на службу ко двору кардинала Луиджи д'Эсте, где получил известность, опубликовывая сборники мадригалов. В 1587 году переехал во Флоренцию, поступил на службу к тосканскому герцогу Фердинанду I, сотрудничал с музыкантами графа и мецената Джованни Барди, в доме которого в конце XVI века собирались представители искусства. В 1589 году Маренцио вернулся в Рим, работал у кардинала Чинцио Альдобрандини. В 1594 году совершил поездку в Польшу по приглашению короля Сигизмунда III, в 1596—1597 годах находился при польском дворе в Варшаве. В 1598 году посетил Венецию, затем бал назначен музыкантом при папском дворе, но в следующем году скончался в Риме. Похоронен в базилике Сан-Лоренцо-ин-Лучина в Риме.
Маренцио писал духовную музыку (5 сборников мотетов, духовные мадригалы), прославился как автор (светских) мадригалов. Опубликовал более 50 сборников музыкальных произведений, включавших мадригалы, канцонетты, вилланеллы. Маренцио оказал сильное влияние на итальянскую музыку, в частности на Клаудио Монтеверди, Карло Джезуальдо да Веноза и Ганса Лео Хасслера. Был популярен в Англии — когда в 1588 году Николасом Йонджем был выпущён сборник итальянских мадригалов «Musica transalpina», то по количеству произведений, включённых в сборник, Маренцио занимал второе место после Альфонсо Феррабоско.