Licencié de l'Université Carnegie-Mellon, Rob Marshall est très vite attiré par la comédie musicale. En 1992, il signe sa première chorégraphie à Broadway sur Le Baiser de la femme-araignée. Après avoir travaillé sur plusieurs spectacles, il fait ses débuts de metteur en scène en 1998 en signant, aux côtés de Sam Mendes, la triomphale reprise new-yorkaise de Cabaret.

Après avoir réalisé une version du spectacle Annie pour le petit écran, Rob Marshall se lance dans le septième art en 2002 en adaptant avec Chicago une autre comédie musicale, qu'il avait déjà montée sur scène. Cette première expérience cinématographique se solde par un énorme succès : le film, emmené par Catherine Zeta-Jones, Renée Zellweger et Richard Gere, glane cinq Oscars, Rob Marshall étant nommé dans la catégorie Meilleur réalisateur.

Rob Marshall signe ensuite Mémoires d'une geisha, d'après un roman d'Arthur Golden, mais sa passion pour l'univers musical est trop forte. En 2008, il réalise et chorégraphie le film Nine, comédie musicale portée par un casting de luxe : Nicole Kidman, Penélope Cruz, Marion Cotillard et Daniel Day-Lewis, entre autres, chantent et dansent ainsi devant la caméra du cinéaste. Désormais à la table des plus grands, Rob Marshall est choisi pour diriger en 2011 Pirates des Caraïbes : la Fontaine de Jouvence, quatrième volet de la saga d'aventure.