Nascut en una família amb tradició musical, aviat inicià els estudis de trompeta i estudià jazz i música clàssica. De seguida tocà en marching bands, grups de jazz i de funk, i orquestres clàssiques. Als catorze anys tocà amb l’Orquestra Filharmònica de Nova Orleans i, als divuit anys, es dirigí a Nova York, on estudià a la Juilliard School.
El 1980 entrà al The Jazz Messengers d’Art Blakey i tocà en una gira amb el quartet de Herbie Hancock. Dos anys després edità el primer disc amb el seu nom. El 1982 formà el seu propi grup, un quintet amb el seu germà Branford al saxo tenor, que esdevingué un dels més importants dels anys vuitanta.
Paral·lelament a la seva activitat jazzística, continuà conreant la música clàssica amb diversos enregistraments, com concerts de trompeta de J. Haydn, J.N. Hummel i d’altres, que li valgueren un Grammy.
El 1987 establí un programa de jazz al Lincoln Center, i esdevingué el director musical i director de la big band que es formà per a interpretar un repertori divers, sobretot peces de Duke Ellington. Els anys noranta començà a realitzar projectes ambiciosos, component diverses suites i concerts. Un dels més importants fou l’oratori Blood on the Fields, que el feu mereixedor del premi Pulitzer el 1997.
Marsalis es guanyà un sòlid prestigi i fou aclamat per la crítica des del principi dels anys vuitanta per la seva tècnica brillant, els seus dots d’improvisador i la intensitat emocional de la seva interpretació. Trompetista virtuós i preciosista, la identitat musical de Marsalis emana en gran part del seu vessant compositiu d’obres de gran escala, allunyades del free jazz, que combinen aspectes de be-bop i el hard bop, swing, jazz de Nova Orleans, blues, gòspel i elements compositius molt propers a la música contemporània.
Marsalis s'ha consolidat com una de les figures més influents del jazz contemporani. Segueix al capdavant de la Jazz at Lincoln Center Orchestra i ha ampliat el seu catàleg amb noves obres simfòniques, de cambra i de jazz. Paral·lelament ha desenvolupat una intensa activitat educativa i divulgativa.
De la seva discografia destaquen Think of One (1983), Black Codes (From the Underground) (1985), Standard Time (1987), The Majesty of the Blues (1989), Live at the Village Vanguard (1999), All Rise (2002), The Abyssinian Mass (2008), Blues Symphony (2009) i The Ever Fonky Lowdown (2019).
La seva tasca ha estat reconeguda amb nombroses distincions, a més del premi Pulitzer, ha rebut nou premis Grammy, la Louis Armstrong Memorial Medal i la National Humanities Medal (2015) per la seva contribució com a trompetista, compositor, professor i divulgador del jazz.