Après avoir terminé sa scolarité, Marco Beltrami a suivi les cours de composition de musique de films dispensés par le maestro Jerry Goldsmith, avec qui il se lie d'amitié.
Il se fait connaître par le succès de Scream en 1996 et de ses suites et développe une collaboration soutenue avec son réalisateur, Wes Craven.
Dès lors, il alterne les films fantastiques et les thrillers mais sa musique prend une dimension dramatique plus aboutie avec les westerns que sont Trois enterrements et 3h10 pour Yuma, pour lequel il obtient sa première nomination à l'Oscar de la meilleure musique. Toujours à la recherche de nouvelles sonorités, le travail qu'il effectue sur ces deux films est remarquable et sera suivi d'une autre gageure : remplacer son mentor Jerry Goldsmith sur le remake de La Malédiction, auquel il rendra un hommage réussi en adaptant le thème mémorable Ave Satani du film original.
Une seconde nomination à l'Oscar suivra pour le film Démineurs en 2010.
Parmi ses œuvres les plus populaires, il faut citer son travail sur les films de Guillermo del Toro (Mimic, Hellboy) ou d'Alex Proyas (I, Robot, Prédictions).
En 2011, sa très belle composition pour le film Soul Surfer (inédit en France) remporte un grand succès d'estime.