Inicià els estudis musicals a Bolonya amb Bindi, i el 1850 ingressà al Conservatori de Nàpols, on fou alumne de G. Lillo (harmonia) i C. Conti (contrapunt i composició). El 1854 tornà a Bolonya i compongué la seva primera òpera, Gentile da Varano, sobre un llibret del seu germà Raffaele, que tingué molt bona acollida quan s’estrenà a Torí el 1856. El següent èxit no li arribà fins el 1867, amb la representació de la seva quarta òpera, Romeo e Giulietta, a Milà. Però el punt culminant de la seva carrera correspon a Ruy Blas (1869), obra que, després d’haver passat quasi desapercebuda, el 1873 fou representada vint-i-una vegades a la Scala. Arran del poc èxit de les dues últimes òperes, Gustavo Wasa (1875) i Don Giovanni d’Austria (1880), Marchetti es dedicà, gairebé de manera exclusiva, a l’ensenyament i tan sols compongué algunes peces de saló. Fou president de la Reial Acadèmia de Santa Cecília de Roma (1881-86) i director del Liceo Musicale (1886-1901).