Logan Marshall-Green nació el primero de noviembre en Carolina del Sur. Su madre es directora artística de teatro en la Universidad de Brown, por lo que desde muy joven estuvo en contacto con las artes. Marshall-Green ha tenido un ascenso al éxito muy lento. Durante su época preparatoriana, Logan, escribía para el periódico escolar, sus fuentes eran la vida nocturna y las artes. Posteriormente, se graduó con un master en actuación por parte de la Universidad de Nueva York. 

Su debut en la pantalla chica fue gracias a apariciones especiales en La Ley y el Orden, en el 2003. Al año siguiente llegó el primer papel que lo colocaría ante los críticos y la industria como una joven promesa de la televisión: The O.C (2003-2007). Marshall-Green entró como reemplazo del actor que interpretó durante el piloto de la serie al hermano del solitario Ryan Atwood, y se quedó con el papel durante varios capítulos, conviertiéndose en uno de los personajes más odiados de la serie. Luego del proyecto televisivo, Logan logró ser fichado para El gran escape (2005), donde compartió créditos con James Franco, actor con quien ha vuelto a aparecer en escena con Mientras agonizo (2013) y The sound and the fury (2014).

Dos años después de su primera película, se hizo con un papel secundario en A través del universo (2007), musical que rendía honores a la carrera de The Beatles. En esta película interpretó a Paco, un revolucionario extremista que muere, inesperadamente, durante la fabricación de una bomba casera. Posteriormente, tocó a su puerta Prometeo (2012), proyecto de Ridley Scott, uno de los cineastas más importanes de la ciencia ficción. 

La carrera de Logan Marshall-Green ha despegado tanto en cine como televisión con buenas críticas. Recientemente, protagonizó la película Upgrade: máquina asesina (2018), una cinta de ciencia ficción que ha sido bien recibida por la crítica en la que el actor encarna a un hombre a quien, después de un accidente, recupera la movilidad de su cuerpo gracias a una tecnología demasiado avanzada. Está casado desde el 2012 con Diane Gaeta, con quien tiene dos hijos.