Fille de Micheline Presle et William Marshall, Tonie Marshall se découvre très jeune une vocation d'actrice. Elle fait ses premiers pas sur grand écran en 1972 chez Jacques Demy, en chanteuse cabaret dans L'Evénement le plus important depuis que l'homme a marché sur la Lune. Suivent de nombreux seconds rôles de comédie, comme Rien ne va plus (1979) ou encore Les Sous-doués (1980), dans lequel elle prête ses traits à une prof d'histoire-géographie malmenée par la bande du cancre Daniel Auteuil.
C'est en 1990 que Tonie Marshall passe à la réalisation avec Pentimento, dans lequel elle offre à Antoine de Caunes l'un de ses tout premiers rôles au cinéma. Elle écrit elle-même les scénarios de ses films, chroniques douces-amères de personnages paumés ou écorchés vifs, comme dans le polar noir au féminin Pas très catholique (1993) ou Enfants de salaud (1996) avec un Jean Yanne ignoble à souhait. En 1999, elle connaît un grand succès grâce à Vénus beauté (institut), qui se déroule dans institut de beauté et qui remporte les César du Meilleur film, de la Meilleure réalisation, du Meilleur scénario et du Meilleur espoir féminin pour Audrey Tautou.
Tonie Marshall revient en 2002 avec Au plus près du paradis, une comédie sentimentale qui réunit Catherine Deneuve et William Hurt en forme d'hommage au légendaire Elle et lui de Leo McCarey, et tourne ensuite une comédie conjugale sur le téléachat, France boutique (2003), dans lequel Karin Viard donne la réplique à François Cluzet. Avec Passe-passe (2008), elle retrouve pour la quatrième fois son actrice fétiche Nathalie Baye avant de repasser devant la caméra avec un rôle dans Musée haut, musée bas de Jean-Michel Ribes.
En 2009, Tonie Marshall réalise un épisode de la saison 2 de la série érotique X-Femmes. Plus tard, elle rejoint le casting de HH, Hitler à Hollywood et du documentaire Journal d'un montage. C'est en 2014 qu'elle reprend la caméra et met en scène Tu veux ou tu veux pas, une comédie délurée portée par Sophie Marceau et Patrick Bruel. En 2017, elle filme Emmanuelle Devos en ingénieure brillante et volontaire dans le drame Numéro Une.