Né à Rome en 1984, il a étudié à l’Académie nationale d’art dramatique “Silvio d’Amico”. Sa carrière d’acteur commence en 2006, au théâtre avec Michele Monetta dans Fantasia arlecchina (2009) et avec Carlo Cecchi dans Le songe d’une nuit d’été (2009/2010). C’est dans ce spectacle que le réalisateur Saverio Costanzo le remarque et lui propose le rôle de Mattia dans La solitude des nombres premiers (2010). En 2011, il est de nouveau en compétition au Festival de Venise avec L’ultimo terrestre, puis dans Waves de Corrado Maria Sassi et dans le premier film d’Elisa Fuksas, Nina. La même année il joue avec Paz Vega, dans Marie de Nazareth de Giacomo Campiotti produit par la RAI. Son parcours à la télévision se poursuivra en 2014 avec Une fortune dangereuse pour la télévision allemande, suivi en 2017 de Trust, réalisé par Danny Boyle, aux côtés de Donald Sutherland.En 2012, il incarne le rôle principal du long métrage de Paolo Virzì, Chaque jour que Dieu fait. La même année, il tourne avec Paolo Sorrentino dans La grande bellezza. La European Film Promotion, dans le cadre de la Berlinale 2013, lui a décerné le très convoité “Shooting Star Award” (10meilleurs talents du cinéma européen) où il a eu l’honneur de représenter l’Italie. En 2013, il est le protagoniste de l’oeuvre d’Alessandro Lunardelli Il mondo présentée au Festival du film de Rome. En 2014, Marinelli joue le rôle principale dans On l’appelle Jeeg Robot, pour lequel il obtient tous les prix et récompenses italiens les plus importants (David di Donatello, Nastri d’Argento et Ciak d’Oro); La même année, il revient à la Mostra de Venise pour présenter le film de Claudio Caligari Mauvaise graine. En 2015, il participe aux films d’Andrea Molaioli Slam et il est à nouveau aux côtés de Tony Servillo dans Lasciati andare dirigé par Francesco Amato. En 2016, il est dans Le Père d’Italia de Fabio Mollo, ainsi que dans le film des frères Taviani Una questione privata tous deux présentés au festival de Toronto 2017. En 2017, il joue dans le film de Valerio Mieli Ricordi ? et De Andrè - prince libre. Enfin il dédie entièrement son année 2018 à la préparation de son rôle pour le film Martin Eden. Il tourne actuellement au Royaume-Uni et au Maroc le film américain The Old Guard de Gina Prince-Bythewood aux côtés de Charlize Theron.