Nacida en San Francisco, California, sus padres eran Marcel Rambeau y Lilian Garlinda Kindelberger. Ambos se separaron cuando la actriz era niña, por lo cual ella y su madre fueron a Nome, Alaska, donde la joven Marjorie vestía como un muchacho, cantaba y tocaba el banjo en bares y locales de music hall. Su madre insistía en que vistiera como un chico para frustrar la atención de los borrachos en un lugar tan salvaje como Nome.[2] Rambeau empezó a actuar en las tablas a los 12 años de edad, pero no debutó en el circuito de Broadway hasta el 10 de marzo de 1913 en una prueba de la obra de Willard MackKick In.[3]
En su juventud, Rambeau interpretó primeros papeles femeninos en Broadway, y en 1921 Dorothy Parker le dedicó unos versos.[4]
Entre las películas mudas que rodó para Mutual Film Corporation figuran Mary Moreland y The Greater Woman (1917). Estos filmes no tuvieron demasiado éxito, pero dieron a conocer a Rambeau al público. Con la llegada del cine sonoro ella ya había cumplido los cuarenta años, y empezó a actuar con papeles de carácter en cintas como Min and Bill, The Secret Six, Laughing Sinners, Grand Canary, Palooka, y Primrose Path, por la cual fue nominada al Oscar a la mejor actriz de reparto.
En 1940, Rambeau tuvo el papel protagonista de Tugboat Annie Sails Again, así como el segundo, tras Wallace Beery (el coprotagonista en la original Tugboat Annie), en 20 Mule Team. Ella también encarnó a una madre italiana en East of the River. Otras de sus películas fueron Tobacco Road, A Man Called Peter, y Broadway. En 1953 fue nuevamente nominada a un Premio Oscar por su actuación en Torch Song. Más adelante, en 1957, hizo un papel de reparto en Man of a Thousand Faces, película sobre la vida de Lon Chaney, aunque en la realidad ella nunca había tenido la ocasión de trabajar con Chaney en el cine mudo.
Rambeau se casó en tres ocasiones, aunque no tuvo hijos:
La primera vez en 1913, con el escritor, actor y director canadiense Willard Mack. La pareja se divorció en 1917.
Después se casó con otro actor, Hugh Dillman McGaughey, en 1919. Se divorciaron en 1923. Dillman se casó después con Anna Thompson Dodge, viuda del magnate de la industria del automóvil Horace Elgin Dodge, y una de las mujeres más ricas del mundo.
El último matrimonio de Rambeau fue con Francis Asbury Gudger en 1931, permaneciendo ambos juntos hasta la muerte de él en 1967.[5]
Dorothy Parker. "To Marjorie Rambeau." Life. 8 de diciembre de 1921. p. 7; Silverstein, Stuart Y., ed. (1996, paperback 2001). Not Much Fun: The Lost Poems of Dorothy Parker. Nueva York: Scribner. p.101. ISBN0-7432-1148-0.