Marceau wurde im Alter von 14 Jahren mit der Teenager-Komödie La Boum – Die Fete (1980) über Nacht zum Star. Die Fortsetzung La Boum 2 – Die Fete geht weiter (1982) steigerte ihren Bekanntheitsgrad noch. Für ihre Darstellung erhielt sie 1983 den Filmpreis César in der Kategorie Beste Nachwuchsschauspielerin. Mit 17 spielte Marceau mit Gérard Depardieu und Catherine Deneuve in Fort Saganne (1984) und drehte noch im selben Jahr mit Jean-Paul Belmondo die Komödie Fröhliche Ostern. In den folgenden Jahren stellte sie unter der Regie von Andrzej Żuławski ihre schauspielerische Vielseitigkeit unter Beweis, so in Liebe und Gewalt (1985), Meine Nächte sind schöner als deine Tage (1989), Blue Note (1991) und Die Treue der Frauen (2000). Der internationale Durchbruch gelang Marceau dann als Prinzessin Isabelle in Mel Gibsons Schottenepos Braveheart (1995). Es folgten 1999 Ein Sommernachtstraum und James Bond 007 – Die Welt ist nicht genug, in dem sie Elektra King verkörperte.