Marshall Warren Nirenberg wurde am 10. April 1927 in New York City als Sohn von Harry und Minerva Nirenberg geboren. Die Familie zog 1939 nach Orlando, Florida. Schon früh entwickelte er ein Interesse an Biologie. Im Jahr 1948 erwarb er einen B. Sc. und 1952 einen M. Sc. in Zoologie an der University of Florida in Gainesville. Seine Magisterarbeit war eine ökologische und taxonomische Studie über Köcherfliegen (Trichoptera).
Während dieser Zeit begann er sich für Biochemie zu interessieren. Er setzte seine Studien auf diesem Gebiet an der University of Michigan, Ann Arbor, fort und erhielt 1957 den Doktortitel der Abteilung für biologische Chemie. Nirenbergs Dissertation, die er unter der Leitung von Dr. James Hogg anfertigte, war eine Studie über eine Permease für den Hexose-Transport in Aszites-Tumorzellen.
Von 1957 bis 1959 erhielt er eine Postdoc-Ausbildung bei DeWitt Stetten Jr. und bei William Jakoby an den National Institutes of Health als Fellow der American Cancer Society. Im nächsten Jahr erhielt er ein Public Health Service Fellowship und wurde 1960 Forschungsbiochemiker in der Abteilung für Stoffwechselenzyme unter der Leitung von Dr. Gordon Tompkins an den National Institutes of Health.
1959 begann er mit der Untersuchung der Schritte, die DNA, RNA und Protein miteinander verbinden. Diese Untersuchungen führten zu dem Nachweis mit H. Matthaei, dass Boten-RNA für die Proteinsynthese erforderlich ist und dass synthetische Boten-RNA-Präparate verwendet werden können, um verschiedene Aspekte des genetischen Codes zu entschlüsseln.
1962 wurde er Leiter der Abteilung für biochemische Genetik an den National Institutes of Health.
Nirenberg erhielt Ehrendoktorwürden von der University of Michigan, der Yale University, der University of Chicago, der University of Windsor (Ontario) und der Harvard University. Weitere Ehrungen sind: The 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; the Gairdner Foundation Award of Merit, 1967; The Prix Charles Leopold Meyer, French Academy of Sciences, 1967; the Joseph Priestly Award, 1968; and the Franklin Medal, 1968. Der Louisa-Gross-Horwitz-Preis der Columbia University und der Lasker-Preis wurden 1968 gemeinsam mit H. G. Khorana verliehen. Er ist Mitglied der American Academy of Arts and Sciences und der National Academy of Sciences.
Er war 1961 mit Perola Zaltzman verheiratet, einer Chemikerin der Universität von Brasilien, Rio de Janeiro. Sie ist heute Biochemikerin an den National Institutes of Health.
Diese Autobiographie/Biographie wurde zum Zeitpunkt der Preisverleihung geschrieben und später in der Buchreihe Les Prix Nobel/Nobel Lectures/The Nobel Prizes veröffentlicht. Die Informationen werden gelegentlich durch einen vom Preisträger eingereichten Nachtrag aktualisiert.
Marshall W. Nirenberg starb am 15. Januar 2010.