Nasceu em Recife, Pernambuco. Seu contato com o cinema começou através de um cineclube criado por ele em sua cidade natal. Em seguida formou-se em Cinema na Universidade de Bristol, Inglaterra e dirigiu uma série de premiados curtas-metragens. Seu primeiro longa, Cinema, Aspirinas e Urubus, estreou em Cannes em 2005, Un Certain Regard, e ganhou o prêmio do Ministério da Educação da França. O filme recebeu mais de outros 50 prêmios pelo mundo.

En 2009 apresento no Festival de Venezia Viajo porque preciso, volto porque te amo, en co-direçåo com Karim Ainouz.

Seu filme Era uma vez eu, Verônica estreou no Festival Internacional de Cinema de Toronto em 2012 e conquistou premios em festivais em Brasilia, San Sebastian, Habana, Amazonas e Guadalajara, entre outros.

Marcelo Gomes foi também co-roteirista de outros filmes recentes: Madame Satã (de Karim Ainouz), que estreou na seção Un Certain Regard no Festival de Cannes em 2002, Casa de Alice (de Chico Teixeira) e Deserto Feliz (de Paulo Caldas). Os dois últimos foram apresentadas na seção Panorama da Berlinale em 2007.

Foi também co-roteirista dos filmes Boi Neon (Gabriel Mascaro), Tudo que aprendemos juntos (Sérgio Machado), Órfãos de Eldorado (Guilherme Coelho), e Divino Amor (Gabriel Mascaro).

Em 2014 apresentou na mostra Panorama da Berlinale o longa-metragem O homen das multidões, co-dirigido junto com Cao Guimarães.

Em 2017 seu longa-metragem sobre o mártir da independência brasileira Joaquim foi selecionado para a Competição Oficial da Berlinale.

Marcelo Gomes estreiou seu documentário Estou me guardando para o Carnaval chegar na mostra Panorama Dokumenta da Berlinale em 2019.