Né d'une mère secrétaire et d'un père policier, Cheech Marin grandit à Los Angeles. Lorsqu'il obtient son diplôme de fin d'études secondaires, il étudie l'anglais à l'université. Fin des années 1960, il déménage à Vancouver pour échapper à la guerre du Vietnam. C'est au Canada, à Alberta, qu'il rencontre l'acteur Tommy Chong avec qui il forme le duo comique Cheech & Chong.

En 1978, Cheech Marin apparaît dans Faut trouver le joint (mis en scène par Chong et écrit par le tandem), qui est aussi le premier film de Cheech & Chong et dans lequel les deux comparses incarnent deux fumeurs de cannabis vivant des aventures bien perchées. Le long métrage connaît deux suites : Cheech & Chong's Next Movie (1980) et Cheech et Chong's Nice Dreams (1981).

Dans la première moitié des années 1980, on retrouve également Cheech Marin et Tommy Chong dans les comédies Still Smokin, Barbe d'or et les pirates, Cheech & Chong's The Corsican Brothers et After Hours réalisé par Martin Scorsese. Le duo se sépare en 1985 (même s'il se retrouve par la suite dans la série Nash Bridges en 1997) et Cheech Marin entame alors une carrière solo. 

Dès lors, Cheech Marin devient un visage connu du public grâce à de nombreux seconds rôles. Il est au casting de SOS Fantômes 2 et Rude Awakening, puis Desperado et Une nuit en enfer mis en scène par le prometteur Robert Rodriguez. Mais c'est du côté du petit écran qu'il trouve ses rôles les plus marquants. En témoignent ses prestations dans The Golden Palace et surtout Nash Bridges.

Dans cette série policière diffusée de 1996 à 2001, le natif de Los Angeles campe, aux côtés de Don Johnson, l'un des deux personnages principaux, le policier à la retraite devenu détective privé Joe Dominguez, partenaire et meilleur ami du héros (Johnson). Parallèlement, le comédien joue dans les films La Couleur de l'arnaque, Tin Cup et Paulie, le perroquet qui parlait trop.

Toujours au cinéma, Cheech retrouve Rodriguez dans Spy Kids 1, 2, 3 et 4, Desperado 2, Planète terreur et Machete. Il est aussi présent au casting de Un Noël de folie !, Underclassman, La Montagne ensorcelée, The Perfect Game ou encore Mon grand-père et moi. Côté série, le comédien apparaît dans Amy (2004 - 2005), Lost - Les disparus (2007), Rob (2012) et Jane the Virgin (2015).

Très prolifique, depuis ses débuts, côté doublage, Cheech Marin prête sa voix à des personnages de longs métrages (Oliver et company, Le Roi Lion, Pinocchio, les 3 Cars, Le Chihuahua de Beverly Hills et Coco) et de séries animées (Elena d'Avalor, Maya, Princesse guerrière). En 2021, il reprend son personnage de Joe Dominguez dans Nash Bridges, suite de la série emmenée par lui-même et Don Johnson.

Toujours actif à 75 ans passés, on le verra prochainement dans les longs métrages Shotgun Wedding et Champions.