Родился 4 октября 1925 г. в Тифлисе (Грузинская ССР в составе Закавказской Советской Федеративной Социалистической Республики, ныне Тбилиси, Грузия).
Школьные годы провел в Москве. После того как его отец был репрессирован в 1937 г., вернулся в родной город. По окончании школы пытался поступить в Тбилисскую академию художеств, но не прошел конкурс. В 1944 г. работал ассистентом художника комбинированных съемок на Тбилисской киностудии.
В 1945 г. поступил в Москве во Всесоюзный государственный институт кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Окончил режиссерский факультет в 1950 г. Выпускник мастерской заслуженного деятеля искусств РСФСР Игоря Савченко. Дипломная работа - короткометражный фильм "Градостроители" (совместно с Феликсом Миронером).
Марлен Хуциев работал ассистентом по дубляжу, вторым режиссером, затем режиссером на Одесской киностудии (1953-1958) и Киностудии им. М. Горького (1959-1965). С 1965 г. являлся режиссером киностудии "Мосфильм". В 1968-1971 гг. был художественным руководителем творческого объединения "Экран".
В 1956 г. вышел первый полнометражный фильм режиссера - "Весна на Заречной улице". Хуциев снял картину в соавторстве с Феликсом Миронером. "Весна на Заречной улице" получила популярность в СССР, в прокате ее посмотрели более 30 млн зрителей. Спустя два года, в 1958 г., состоялась премьера первой самостоятельной режиссерской работы Хуциева, мелодрамы "Два Федора".
Для своей следующей картины - "Застава Ильича" - Хуциев написал сценарий совместно с Геннадием Шпаликовым. В 1963 г. на встрече с деятелями искусства первый секретарь ЦК КПСС Никита Хрущев выступил с резкой критикой фильма. Режиссер был вынужден внести в картину значительные поправки, в результате она вышла только в 1965 г. под измененным названием - "Мне двадцать лет". Фильм стал одним из символов "оттепели". Первоначальная версия под оригинальным названием была впервые показана в 1988 г. в московском Доме кино.
Впоследствии Марлен Хуциев снял еще четыре художественных фильма: "Июльский дождь" (1966), "Был месяц май" (1970), "Послесловие" (1983), "Бесконечность" (1991), а также три документальных: "Алый парус Парижа" (1971), "И все-таки я верю…" (фильм Михаила Ромма, завершенный после его смерти Хуциевым, Элемом Климовым и Германом Лавровым; 1974) и "Люди 1941 года" (2001). Для шести своих фильмов режиссер написал сценарии.
В 1967 г. Хуциев поставил в Московском театре "Современник" спектакль "Случай в Виши" по пьесе Артура Миллера (восстановлен в 1987 г.).
Исполнил эпизодические роли в фильмах "Интервенция" (1968, режиссер Геннадий Полока), "Гори, гори моя звезда" (1969, Александр Митта), "В день праздника" (1978, Петр Тодоровский), "Карл Маркс. Молодые годы" (1980, Лев Кулиджанов).
С 1978 г. по 2009 г. преподавал во ВГИКе, с 1987 г. заведовал кафедрой игрового кино.
Марлен Хуциев скончался 19 марта 2019 г. в Москве на 94-м году жизни. Похоронен на Троекуровском кладбище.
Возглавлял гильдию режиссеров Союза кинематографистов РФ. В декабре 2008 г. Хуциев был избран председателем Союза кинематографистов РФ, в 2009 г. суд отменил решение съезда Союза. Входил в состав правления Союза кинематографистов РФ.
Был почетным членом Российской академии художеств и президентом Международного кинофестиваля "Сталкер".
Народный артист СССР (1986).
Был награжден орденами "Знак Почета" (1975), "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2006, 2000, 1996), Почета (2010), Дружбы (2016).
Лауреат Государственной премии РФ в области литературы и искусства 1993 г.
Работы Хуциева были отмечены наградами различных фестивалей. Фильм "Застава Ильича" получил специальный приз жюри Венецианского кинофестиваля и приз Международного фестиваля европейского кино в Риме (1965), "Был месяц май" - премию за режиссуру на фестивале "Злата Прага" в Праге (1970), "Бесконечность" - приз Альфреда Бауэра и приз экуменического жюри Берлинского кинофестиваля (1992).
Марлен Хуциев также был удостоен ряда кинематографических премий, среди которых специальный приз президента РФ на фестивале "Кинотавр" (1999), "Лавровая ветвь" ("За вклад в кинолетопись", 2002), "Ника" (в почетной номинации "Честь и достоинство", 2005), "Золотой леопард" Международного кинофестиваля в Локарно (Швейцария; почетная номинация "За вклад в киноискусство", 2015).
Был женат на Ирине Соловьевой (1927-2019, киноредактор). Сын - Игорь (род. 1952, режиссер и сценарист).