Othniel Charles Marsh wurde in Lockport im Staat New York auf einer wohlhabenden Farm geboren. Allerdings zeigte er wenig Interesse an der Landwirtschaft und verbrachte seine Zeit lieber mit Reiten, Jagen und Sammeln von Fossilien

Seine Schulbildung war eher mangelhaft. Dennoch konnte er − durch die Hilfe seines reichen Onkels George Peabody − an der Phillips Academy in Andover (Massachusetts) das Fach Mineralogie studieren, welches er mit Auszeichnung abschloss.

Anschließend promovierte er an der Universität Yale.

1861 zog Marsh nach Neuschottland (Kanada), widmete sich der Mineralogie und veröffentlichte kurze Zeit später seinen ersten wissenschaftlichen Aufsatz im Alter von 30 Jahren.

1862 reiste er nach Europa, um in Berlin sein Studium zu ergänzen, und lernte 1863 den jungen Edward Drinker Cope kennen, der ebenfalls in Berlin studierte.

1868 kehrte Marsh in die USA zurück.

Marsh blieb unverheiratet und gründete keine Familie.

Vom Charakter her wird Marsh als sehr methodisch und introvertiert beschrieben, obwohl er als durchaus streitlustig galt.

Als Anhänger der Theorie von Charles Robert Darwin (1809 - 1882) glaubte er an eine Evolution, die durch das Zusammenspiel sprunghafter Veränderungen im genetischen Material und der natürlichen Auslese aufgrund von Umweltbedingungen geschieht. Nach Darwin treten die Veränderungen rein zufällig auf und entbehren jeglicher Zielgerichtetheit. Die bessere Überlebenschance ist somit der einzige Faktor, der diese Veränderungen steuert. Nur die am besten Angepassten können überleben und Nachkommen haben.