Horst Marschall studierte Mineralogie an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, wo er 2005 auch promovierte (Auszeichnung mit dem Ruprecht-Karls-Preis der Universität für die Dissertation). Von 2005 bis 2010 forschte er an der University of Bristol, die ersten zwei Jahre davon als Marie-Curie-Forschungsstipendiat. Ab 2011 war er an der Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, USA, tätig. Seit 2016 ist er der Wilhelm-Heraeus-Stiftungsprofessor für Deep Earth-Prozesse an der Goethe-Universität Frankfurt. 2019 gründete er gemeinsam mit einem Kollegen das Frankfurt Isotope & Element Research Center (FIERCE) und leitet es als einer von zwei Co-Direktoren. Er ist gegenwärtig Direktor des Instituts für Geowissenschaften der Goethe-Universität. Er forscht außerdem als Wissenschaftler am American Museum of Natural History in New York City.

Seine Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung der Erdkruste und des Erdmantels über den langen Zeitraum seit der Entstehung des Planeten und die Wechselwirkung zwischen Kruste und Mantel. Hierbei spielen besonders die Prozesse, die an den Grenzen der großen tektonischen Platten ablaufen, und an denen der Hauptteil des Vulkanismus auf der Erde stattfindet, eine zentrale Rolle. Marschall war im Rahmen dieser Forschung bereits auf allen sieben Kontinenten unterwegs, einschließlich einer zweimonatigen Tour mit dem Zelt durch die Antarktis. Bei der Untersuchung der Gesteine wird vor allem auf die genaue mineralogische und chemische Analyse zurückgegriffen, und mittels Isotopenmessungen das Entstehungsalter der Gesteine bestimmt.

Das von Marschall aufgebaute Frankfurt Isotope & Element Research Center (FIERCE) ist eines der führenden Labore zur Altersbestimmung von Gesteinen in Europa. Er veröffentlichte zahlreiche wissenschaftliche Artikel (peer-reviewed Paper) zur Gesteinskunde, Geochronologie und Isotopengeochemie in den einschlägigen Fachmagazinen, siehe die ausführliche Publikationsliste auf Marschalls Homepage. Horst Marschall wurde im Februar 2020 in den Beirat der Giordano-Bruno-Stiftung aufgenommen, zudem zählt er zu den Gründungsbeiräten des Hans-Albert-Instituts.