Белтрами родился в Лонг-Айленде, Нью-Йорк. У него греческие и итальянские корни. Марко окончил Брауновский университет и школу музыки Йельского университета, а затем переехал на запад и поступил в музыкальную школу Торнтона в Лос-Анджелесе, где он учился у Джерри Голдсмита.
В 1994 году он написал свои первые композиции для фильма «Death Match» режиссёра Джо Копполлетта, а известность к нему пришла после написания саундтрека к знаменитому фильму «Крик» режиссёра Уэса Крэйвена. C тех пор Белтрами пишет музыку исключительно к триллерам и фильмам ужасов, таким как: Мутанты (1997), Факультет (1998), Глаза Ангела (2001), Ничего себе поездочка (2001), Обитель зла (2002), Блэйд 2 (2002), Хеллбой: Герой из пекла (2004), Я, робот (2004) и Ночной рейс (2005). Белтрами пробовал себя в написании музыки к независимому кино. Его труды не прошли незамеченными: в 1998 году он был номинирован на премию «Эмми» за саундтрек к фильму «Дэвид и Лиза» режиссёра Джека Перри.
Марко Белтрами понял, что ему тесно в роли композитора для ужастиков. Следующая его работа была — саундтрек к фильму Крепкий орешек 4.0 (2007), в основе которого легли оригинальные треки композитора Майкла Кэймена из предыдущих частей фильма. В том же году Белтрами получил премию «Оскар» за фильм Поезд на Юму. В 2010 был выдвинут на премию «Оскар» за саундтрек к фильму Повелитель бури.
Отличительной чертой музыки Белтрами является обильное использование ударных, а также скрипок и духовых.
Белтрами неоднократно работал с такими режиссёрами как Уэс Крэйвен, Гильермо дель Торо, а также с Робертом Родригесом и Джей Джей Абрамсом. Он также работал со многими музыкантами, в том числе с Мэрилином Мэнсоном для фильма Обитель зла.
В октябре 2002 года на официальном сайте Марко было сообщение, что он работал над оркестровой аранжировкой песен «Thyme», «The General», «Leave Me Alone» и «Seven» с альбома Chinese Democracy группы Guns N' Roses. К сожалению ни одна из этих песен не вошла в окончательную версию альбома. Тем не менее песни «Street Of Dreams», «Madagascar», «There Was a Time», «This I Love» и «Prostitute», аранжировки к которым также делал Белтрами попали в альбом группы, а сама песня Chinese Democracy вошла в саундтрек к фильму Поезд на Юму. Эксл Роуз подтвердил, что оставшиеся четыре песни войдут в следующий альбом группы.