Marianne Denicourt suit les ateliers d’Antoine Vitez au Théâtre National de Chaillot avant d’intégrer l’école des Amandiers à Nanterre, dirigée par Patrice Chéreau.

Elle sera Ophélie dans sa mise en scène d’Hamlet créée à Avignon dans la Cour d’Honneur du Palais des Papes puis en tournée mondiale.

Elle a joué régulièrement au théâtre sous la direction de Pierre Roman (Penthesilée, La petite Catherine de Heilbronn de Kleist) de Luc Bondy (Le conte d’hiver de Shakespeare, Une pièce espagnole de Yasmina Reza), de Louis Do de Lenquesaing (Musset), de Bernard Murat (Skylight, la chambre bleue de David Hare), de Marc Paquien (la Ville de Martin Crimp). Elle joue le rôle titre de Jeanne au Bucher, opéra de Paul Claudel et Arthur Honegger.

Au cinéma, elle travaille entre autres avec Patrice Chéreau, Jacques Doillon, Michel Deville, Jacques Rivette, Chris Menges, Benoit Jacquot, Raoul Ruiz.

Elle réalise deux documentaires en Afghanistan.

Pour Nassima, une vie confisquée, diffusé sur France 2, elle reçoit en 2009 le prix média de la Fondation pour l’enfance.

En 2014, elle a été nommée pour le César de la Meilleure Actrice dans un second rôle pour le film Hippocrate de Thomas Lilti.

En mars 2016, elle est à l’affiche de Médecin de campagne de Thomas Lilti avec François Cluzet.