Acompanyà el seu pare Niccolò i el seu oncle Matteo a l’ambaixada prop del gran kan mongòlic Khublai Kan, encarregada per Gregori IX. Fets a la mar (1271) a Laiazzo (l’actual Ayas, al golf d’Alexandreta), travessaren l’Armènia i, per Acre, Täbrīz i Kermān, arribaren al golf Pèrsic. Des de Pèrsia, passaren per Pamir i el desert de Gobi —regions ignorades pels europeus— i arribaren, a través de les vastes estepes mongòliques, als confins de Catai (Xina) i, finalment, a Pequín (1275). Protegits pel gran kan, durant els setze anys de sojorn els foren confiades missions importants al Yunnan, al Tibet, a l’Annam, a Cotxinxina i, sobretot, al Mangi (Xina central). Amb l’encàrrec imperial d’acompanyar una princesa xinesa a Pèrsia, emprengueren el retorn (1291), per Sumatra, costes meridionals de Malàisia i l’Índia. Després de nou mesos de viure a la cort persa, continuaren, per Trebisonda, Constantinoble, Negrepont, fins a atènyer Venècia (1295), al cap de 25 anys d’absència.
Durant un empresonament a Gènova (potser fou capturat a Curzola el 1298) dictà els seus viatges a Rustichello Da Pisa, que els transcriví en francès amb el títol de Livre des merveilles du monde. Aquesta narració, coneguda poc després per Il Milione —el mateix sobrenom que els venecians donaven a Marco Polo a causa de les seves riqueses—, fou traduïda a nombroses llengües. Al segle XIV fou traduïda al català amb el títol Els viatges de Marco Polo, publicada el 1958 per Anna Maria Gallina, i el 2009 en fou publicada una versió més completa a càrrec de Manuel Forcano i Francesco Ardolino.