Fille du résistant et ancien député Olivier de Sarnez, ancien élève du lycée Janson de Sailly, elle aussi ancienne élève de Janson où elle passe son baccalauréat, Marielle de Sarnez se lance dans la vie active et occupe différents emplois avant d'entrer en politique à laquelle elle consacrera toute sa carrière.
Elle participe à la création de l’UDF en 1978 puis devient directrice de cabinet de François Bayrou, ministre de l’Éducation nationale, en 1993. Successivement secrétaire générale du groupe UDF à l’Assemblée nationale, vice-présidente du mouvement, députée au Parlement européen, Marielle de Sarnez est élue Conseillère de Paris en 2001 sur une liste d'union RPR-UDF. Présidente de la fédération UDF de Paris en 2006, elle crée le MoDem (Mouvement Démocrate) en 2007, avec François Bayrou.
Ministre des Affaires européennes du premier gouvernement d'Edouard Philippe, elle est amenée à démissionner tout comme François Bayrou dans le cadre d'une enquête concernant l'emploi d'assistants parlementaires européens.
Investie aux législatives de 2017 par LREM, élue députée de Paris, elle était présidente de la prestigieuse Commission des Affaires étrangères de l'Assemblée nationale.