Marshall Warren Nirenberg blev født i New York City den 10. april 1927 som søn af Harry og Minerva Nirenberg. Familien flyttede til Orlando, Florida i 1939. Han udviklede tidligt en interesse for biologi. I 1948 fik han en B. Sc. grad og i 1952 en M. Sc. grad i zoologi fra University of Florida i Gainesville. Hans kandidatafhandling var en økologisk og taksonomisk undersøgelse af caddisfluer (Trichoptera).

I løbet af denne periode begyndte han at interessere sig for biokemi. Han fortsatte studierne inden for dette område ved University of Michigan, Ann Arbor, og i 1957 modtog han ph.d.-graden fra Department of Biological Chemistry. Nirenbergs afhandling, der blev udført under ledelse af Dr. James Hogg, var en undersøgelse af en permease til hexosetransport i ascites-tumorceller.

Fra 1957 til 1959 opnåede han postdoc-uddannelse hos DeWitt Stetten Jr. og hos William Jakoby ved National Institutes of Health som stipendiat af American Cancer society. I det følgende år havde han et Public Health Service Fellowship og blev i 1960 forskningsbiokemiker i sektionen for metaboliske enzymer under ledelse af Dr. Gordon Tompkins ved National Institutes of Health.

I 1959 begyndte han at studere de trin, der forbinder DNA, RNA og protein. Disse undersøgelser førte til, at han sammen med H. Matthaei påviste, at messenger RNA er nødvendigt for proteinsyntese, og at syntetiske messenger RNA-præparater kan bruges til at afkode forskellige aspekter af den genetiske kode.

I 1962 blev han leder af Section of Biochemical Genetics ved National Institutes of Health.

Nirenberg er indehaver af æresgrader fra University of Michigan, Yale University, University of Chicago, University of Windsor (Ontario) og Harvard University. Andre hædersbevisninger omfatter: Molecular Biology Award, National Academy of Sciences, 1962; Paul Lewis Award in Enzyme Chemistry, American Chemical Society, 1964; The National Medal of Science, 1965; The Research Corporation Award, 1966; The Hildebrand Award, 1966; Gairdner Foundation Award of Merit, 1967; Prix Charles Leopold Meyer, French Academy of Sciences, 1967; Joseph Priestly Award, 1968; og Franklin Medal, 1968. Louisa Gross Horwitz-prisen, Columbia University, og Lasker-prisen blev delt med H. G. Khorana i 1968. Han er medlem af American Academy of Arts and Sciences og National Academy of Sciences.

Han blev i 1961 gift med Perola Zaltzman, en kemiker fra Brasiliens universitet i Rio de Janeiro. Hun er nu biokemiker ved National Institutes of Health.

Denne selvbiografi/biografi blev skrevet på tidspunktet for tildelingen af prisen og senere udgivet i bogserien Les Prix Nobel/ Nobel Lectures/The Nobel Prizes. Oplysningerne opdateres undertiden med et tillæg indsendt af prismodtageren.

Marshall W. Nirenberg døde den 15. januar 2010.