Rob Marshall khởi đầu sự nghiệp với tư cách là một diễn viên múa trong một số vở nhạc kịch Broadway. Tuy nhiên, trong một lần biểu diễn vở kịch Những chú mèo, ông bất ngờ bị đau lưng và phải đi nhập viện gấp. Kết quả, do ông tập luyện và múa quá nhiều đã khiến ông bị mắc căn bệnh thoát vị đĩa đệm. Sau sự cố ấy thì ông không làm nghề vũ công nữa mà thay vào đó ông chuyển hẳn sang làm biên đạo múa kiêm đạo diễn sân khấu.[5] Dần dần, ông chuyển sang làm công nghiệp điện ảnh.

Năm 1999, ông chào sân với bản điện ảnh chuyển thể của vở nhạc kịch cùng tên Annie. Tuy vậy, sự nghiệp của ông mới thực sự khởi sắc khi ông làm đạo diễn cho bản chuyển thể điện ảnh từ vở nhạc kịch Broadway cùng tên Chicago, với tác phẩm này thì bản thân ông được đề cử giải Oscar cho đạo diễn xuất sắc nhất. Ngoài ra ông còn được đề cử giải BAFTA và giải Quả Cầu vàng cũng ở hạng mục này. Sau thành công của Chicago, ông lại tiếp tục làm một bộ phim khác nhưng lần này mang hướng chính kịch nhiều hơn, đó là Hồi ức của một Geisha. Bộ phim quy tụ dàn sao hàng đầu hoàn toàn là người châu Á lúc bấy giờ gồm Chương Tử Di, Củng Lợi, Dương Tử Quỳnh, Suzuka Ohgo và Ken Watanabe. Tác phẩm đã thu về $162.2 triệu tại các phòng vé toàn cầu và đoạt ba giải Oscar tại Lễ trao giải Oscar lần thứ 78.[6]

Thành công nối tiếp đã giúp ông thực hiện một bộ phim mới được ra mắt năm 2009, đó là Nine, một bộ phim chuyển thể cũng từ vở nhạc kịch Broadway cùng tên. Hai năm sau, ông tiếp tục làm phần 4 của loạt phim Cướp biển vùng Caribbean,[7] và cũng giống như các phần phim trước, phần phim này đã thống trị mọi kỷ lục tại các phòng vé trên toàn thế giới.[8]

Năm 2014, ông lại tiếp tục làm bản chuyển thể điện ảnh từ vở nhạc kịch nhưng lần này là nhạc kịch của Stephen Sondheim, có tựa là Khu rừng cổ tích. Đây cũng là bộ phim đầu tiên ông làm nhà sản xuất dưới hãng phim mới của ông có tựa là Lucamar Productions, là sự kết hợp giữa ông và người cộng sự John DeLuca.[9] Phiên bản này tiếp tục gặt hái được những thành công, trong đó có ba đề cử Quả Cầu Vàng. Bốn năm sau, ông lại cho ra mắt phần phim thứ hai của Mary Poppins, có tựa là Mary Poppins trở lại,[10] và tiếp tục gặt hái được nhiều thành công lớn và còn đề cử bốn giải Oscar tại Lễ trao giải Oscar lần thứ 91.

Tháng 12 năm 2018, Disney xác nhận Rob Marshall sẽ là đạo diễn cho bản chuyển thể người đóng cho bộ phim Nàng tiên cá từ bản phim gốc năm 1989.[11] Bộ phim này dự kiến sẽ ra mắt vào năm 2023.