Un tío, Giacinto Bondioli, también era compositor y puede haber sido uno de sus maestros; no hay ninguna evidencia para apoyar la afirmación de que estudió con Giovanni Battista Fontana, otro bresciano.

Frontispicio de "Afetti Musicali" de Biagio Marini - 1617

El 26 de abril de 1615 Marini fue contratado como violinista en San Marco, Venecia, donde probablemente trabajó bajo la dirección de Monteverdi.Hacia 1620 estaba de regreso en Brescia, como maestro di cappella de Santa Eufemia y director de música de la Accademia degli Erranti; el 30 de enero de 1621 fue contratado como instrumentista en la corte Farnese de Parma. Entre 1623 y 1649 sirvió, parte del tiempo como Kapellmeister, en la corte de Wittelsbach en Neuburg an die Donau, pero también estuvo lejos por largos periodos, en Bruselas (en 1624), Milán (1631–32), Bérgamo (1632), Düsseldorf (en 1640 y 1644–45), Brescia y posiblemente Venecia. Estaba de nuevo en Milán en 1649, como  maestro di cappella de Santa María della Scala, y trabajó en Ferrara y Venecia en 1651–53. Hacia 1654 estaba una vez más en Milán y luego en Vicenza durante 1655–6. Sus obras fueron impresas e influyeron a lo largo del mundo musical europeo. Hay evidencia de que se casó tres veces; un documento de 1641 menciona cinco hijos. El atto di morte que registra su muerte cita su edad como aproximadamente 76 años.

Aunque escribió música instrumental y vocal, es mejor conocido por sus innovadoras composiciones instrumentales. Contribuyó al desarrollo temprano del lenguaje de cuerdas que extiende el rango de la actuación del violín solo y acompañado incorporando ligado, doble e incluso  triple detención, y el primero en señalar explícitamente el trémolo anotado en su música.

También está entre los primeros compositores, después de Marco Uccellini, en requerir afinaciones de scordatura. Hizo contribuciones a la mayoría de los géneros contemporáneos e investigó inusuales procedimientos compositivos, como construir una sonata entera sin una cadencia (como en su "Sonata senza cadenza").

Fue uno de los primeros violinistas-compositores importantes. Escribió sonatas para violín, en las que introdujo notables innovaciones, y obras concertantes para voces e instrumentos. Por lo menos alguna, y quizás una gran parte de su producción está perdida, pero la que sobrevive exhibe su inventiva, habilidad lírica, intrepidez armónica, y la tendencia creciente hacia las tonalidades de práctica común.