Марлен Хуциев родился в Тифлисе (ныне — Тбилиси) 4 октября 1925 года. Отец — Хуциев (Хуцишвили) Мартын Леванович (1900—1937), коммунист с дореволюционным стажем, погиб в годы репрессий. Мать — Утенелишвили Нина Михайловна (1905—1957), актриса, грузинка.

В 1952 году окончил режиссёрский факультет ВГИКа (мастерская Игоря Андреевича Савченко).

В 1953—1958 годах работал режиссёром на Одесской киностудии, киностудии им. Горького, с 1965 года — режиссёр киностудии «Мосфильм». В ряде своих фильмов Марлен Хуциев выступал как автор или соавтор сценариев.

Кроме того, Хуциев поставил в театре «Современник» (1967, 1986) спектакль «Случай в Виши», снялся в нескольких фильмах.

В 1966 году подписал письмо 25-ти деятелей культуры и науки генеральному секретарю ЦК КПСС Л. И. Брежневу против реабилитации Сталина.

В 1968—1971 годах — художественный руководитель ТО «Экран» Центрального телевидения.

С 1978 года он руководит мастерской режиссуры художественного кино во ВГИКе. С 1987 года — заведующий кафедрой режиссуры художественного фильма ВГИКа, профессор. В августе 2009 года под сильным давлением режиссёр был вынужден подписать заявление с просьбой об освобождении от этой обязанности.

С 1965 года секретарь правления СК СССР. С 1989 года — Президент Гильдии кинорежиссёров России.

В 1994—1995 гг. — президент кинофестиваля «Окно в Европу».

С 1998 года — председатель Комитета по игровому кино Союза кинематографистов России.

19 декабря 2008 года избран Председателем Союза кинематографистов России. 17 марта 2009 года Пресненский суд Москвы признал итоги VII съезда СК, на котором Хуциев был избран председателем, незаконными. Это решение продолжает оспариваться в судебном порядке.

Почётный член Российской академии художеств