D'abord mannequin pour l'agence Oui dès l'âge de dix-sept ans, Marine Delterme fait la couverture de magazines comme Elle, Marie-Claire... Sur les conseils de Valeria Bruni-Tedeschi, elle s'oriente vers le métier de comédienne et suit une formation à l'Actor's Studio. Elle auditionne en vain pour jouer dans Jungle Fever (1991) de Spike Lee, tourne dans un épisode de la série télévisée The Hitchhiker ainsi que dans un moyen métrage de Jean-Luc Godard intitulé Puissance de la parole. Elle apparaît également dans le feuilleton Women and men 2 : In love there are no rules en 1991 et le film d'horreur Listopad de Lukasz Karwowski en 1992.

Mais ce sont Les Nuits fauves (1992) de Cyril Collard et Fanfan (1993) d'Alexandre Jardin qui la révèlent au grand public, des films où elle incarne respectivement l'une des conquêtes de Cyril Collard et celle de Vincent Perez. Dès lors, cette jolie brune aux grands yeux clairs ne passe plus inaperçue. Nouvelle compagne de Richard Berry dans Consentement mutuel (1994) de Bernard Stora, elle donne la réplique à Florence Thomassin et Amira Casar dans la comédie dramatique Ainsi soient-elles (1995) de Patrick Alessandrin et Lisa Azuelos-Alessandrin, puis à Fabrice Luchini dans L' Année Juliette (id.) de Philippe Le Guay.

Faisant de courtes apparitions dans Chacun cherche son chat (1996) de Cédric Klapisch, Les Randonneurs (1997) de Philippe Harel, Vatel (2000) de Roland Joffé et Peau d'ange (2002) de Vincent Perez, Marine Delterme se retrouve en tête d'affiche de deux comédies, Le Déménagement (1997) d'Olivier Doran, où elle tient le rôle de Léa, la jeune fille à problèmes, et Michael Kael contre la World News Company (1998) de Christophe Smith, où elle interprète une infirmière en mission humanitaire quelque peu garce. La comédienne s'illustre également dans un genre plus dramatique avec Te quiero (2000) de Manuel Poirier.

A partir de 2002, Marine Delterme incarne l'héroïne de la série judiciaire Alice Nevers, le juge est une femme et se fait plus rare au cinéma. Elle apparait, en second rôle, dans Trésor (2009), le dernier film du regretté Claude Berri, et dans Paris-Manhattan (2012), le premier long métrage de Sophie Lellouche où elle joue la sœur d'Alice Taglioni.