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.