Marielle Heller dilahirkan di Marin County, California, dan merupakan anak perempuan Steve Heller, seorang tenaga perubatan, dan Annie Heller, seorang seniman dan guru seni.[3] Beliau membesar di Alameda bersama adik-adiknya, Nate dan Emily.[3] Beliau memulakan kerjaya lakonan sebagai pelakon dan menganggapnya sebagai "cinta pertama."[4] Ketika masih kecil, beliau merupakan ahli Teater Muzikal Alameda Children yang mana beliau muncul dalam empat drama setahun, termasuk peranan Rabbit dalam Winnie the Pooh, Templeton si tikus dalam Charlotte's Web serta Polly dalam The Magician's Nephew.[3]

Beliau berjaya ke teater komuniti serta produksi di Saint Joseph Notre Dame, yang mana beliau melanjutkan pendidikan menengah.[3] Beliau tamat belajar pada 1997.[5] Beliau belajar teater di UCLA dan kemudian di Royal Academy of Dramatic Art, London.[6] Selain itu, beliau menerima ijazah tertinggi Lynn Auerbach Screenwriting Fellowship dan The Maryland Film Festival Fellowship.[7]