Frère de la réalisatrice Nadine Trintignant et du comédien Christian Marquand, Serge Marquand fait dans les années 60 une carrière de jeune premier, apparaissant notamment dans plusieurs films de Roger Vadim, des Liaisons dangereuses (son premier film, en 1960) à Une femme fidèle, mais aussi dans la très populaire série des Angélique. Georges Franju (Pleins Feux sur l'assassin), James Ivory ou encore Samuel Fuller offrent de petits rôles à cet acteur au regard ténébreux, qui tourne souvent aux côtés de son beau-frère Jean-Louis Trintignant (Le Train de Pierre Granier-Deferre en 1972). Il s'essaiera d'ailleurs à la production avec l'un des deux films réalisés par celui-ci, Le Maitre-nageur. A partir des années 90, il joué surtout dans des téléfilms, tels que Le Comte de Monte-Christo de Josée Dayan et Victoire ou la douleur des femmes, signé par sa soeur Nadine .
