Marcelo débuta sa carrière de joueur professionnel dans sa ville natale, au FC Santos. Rapidement, il s'imposa au coeur de la défense centrale du club de Pelé. Remportant le championnat de Sao Paulo dès sa première saison, il rejoignit l'Europe en juillet 2008.

Il posa ses valises en Pologne, au Wisla Cracovie, formation avec laquelle il découvrit la Coupe UEFA, puis la Ligue des Champions. Titulaire indiscutable, il attira les convoitises de clubs plus huppés, comme le PSV Eindhoven en 2010. Après des débuts poussifs, il parvint à devenir un pilier de la défense du club hollandais, formant avec Bouma une charnière très solide.

Après 3 saisons passées en Eredevisie, Marcelo découvrit un nouveau pays et un nouveau championnat en s'engageant avec Hanovre. S'il gagna une place de titulaire en Bundesliga, il sauta sur l'occasion d'être prêté au Besiktas en février 2016. A Istanbul, il remporta deux titres de champion de Turquie et atteignit les quarts de finale de l'Europa League.

Âgé de 30 ans, il choisit de poursuivre son tour d'Europe en signant à l'Olympique Lyonnais. Au sein du club rhôdanien, il posa ses valises durant 4 ans et demi. Titulaire indiscutable lors de ses premières saisons, il ne faisait néanmoins pas l'unanimité. En décembre 2019, un supporter lyonnais n'hésita pas à entrer sur la pelouse de Décines pour arborer une banderole "Marcelo dégage". Patron de la défense lyonnaise, le Brésilien plongea mentalement si bien que les dirigeants de l'OL le placèrent en réserve dès le début de la saison 2021-2022.

En janvier 2021, désireux de récupérer une place d'extra-communautaire dans leur effectif et de se délester d'un salaire massif, les Lyonnais poussèrent Marcelo à une résiliation à l'amiable d'un contrat qui courait encore jusqu'en juin 2023. Quelques jours plus tard, on retrouva sa trace aux Girondins où Admar Lopes, le directeur sportif, vit en lui un recours après le départ de Laurent Koscielny.

Arrivé hors de forme, Marcelo ne fut pas opérationnel immédiatement et ne montra jamais un niveau rassurant. Emprunté techniquement, physiquement à la rue, il n'endossa jamais le rôle de leader qui lui était promis... Des blessures musculaires vinrent compléter un sombre tableau qui trouva sa conclusion par une catastrophique descente en L2.

Le Brésilien quitta les Girondins par la petite porte et signa pour un an dans le championnat australien de Première division, au Western Sydney Wanderers.