Tonie Marshall est la fille de l'actrice française Micheline Presle (née en 1922) et de l'acteur, réalisateur et producteur américain William Marshall. Elle est la demi-sœur de l'acteur Mike Marshall, fils de l'actrice Michèle Morgan, qui a été la première épouse de son père.

Enfant, Tonie Marshall grandit à côté du cinéma d'art et d'essai le Studio des Ursulines à Paris, sa chambre donnant sur la cabine du projectionniste.

Pendant son adolescence, elle suit des cours de danse avant de s'inscrire à des leçons d'art dramatique auprès de Jean-Laurent Cochet. Elle débute au cinéma en tant que comédienne sous la direction de Jacques Demy en 1972, dans L'Événement le plus important depuis que l'homme a marché sur la Lune. En 1974, elle rejoint la troupe du Théâtre Populaire de Reims de Robert Hossein et crée en 1978 un duo avec Anémone intitulé Bye, Bye, Baby. Puis elle joue de nombreux seconds rôles dans des séries télévisées et quelques comédies dont Les Sous-doués de Claude Zidi en 1980, où elle campe une prof d'histoire-géographie malmenée par la bande de cancres dirigée par Daniel Auteuil. À la télévision, on la voit dans les séries humoristiques de Jean-Michel Ribes Merci Bernard et Palace.

En 1986, elle enregistre avec Steve Beresford, John Zorn et David Toop, l'album Deadly Weapons, en tant que récitante. Elle participe également l'année suivante à L'Extraordinaire Jardin de Charles Trenet de Steve Beresford, comme vocaliste.

Elle passe à la réalisation en 1990 avec Pentimento, offrant à Antoine de Caunes son premier rôle au cinéma. Elle écrit elle-même ses films, pour la plupart des comédies de mœurs ou des chroniques douces-amères de personnages paumés, déprimés ou écorchés vifs comme Pas très catholique et Enfants de salaud, tous deux interprétés par Anémone.

En 2000, elle devient la première femme à recevoir le César du meilleur réalisateur3 pour la comédie dramatique à succès Vénus beauté (institut) qui souffle par ailleurs le César du meilleur film aux deux favoris : Jeanne d'Arc de Luc Besson et La Fille sur le pont de Patrice Leconte. Le film remporte également le César du meilleur scénario et vaut à la débutante Audrey Tautou le César du meilleur espoir féminin. Vénus beauté fera l'objet d'une adaptation télévisée en 2005 pour la chaîne Arte, sous le titre Vénus et Apollon.

En 2002, elle réunit Catherine Deneuve et William Hurt dans Au plus près du paradis, comédie romantique conçue comme un hommage à Elle et lui de Leo McCarey. L'année suivante, elle met en scène une parodie de téléachat sur fond de crise conjugale avec France Boutique, interprétée par Karin Viard, François Cluzet et Judith Godrèche. En 2008, elle retrouve l'une de ses actrices fétiches : Nathalie Baye, dans Passe-passe. Tonie Marshall a dirigé la société de production qu'elle a créée en 1993 : TaboTabo Films.

En 2018, Tonie Marshall4 rejoint le mouvement de lutte contre les violences faites aux femmes, la Fondation des Femmes. Elle propose de porter symboliquement un ruban blanc lors de la cérémonie des César5. Le 2 mars, nombre6 des participantes et des participants suivent cette invitation.

En 2019, elle co-met en scène le spectacle Fashion Freak Show avec Jean-Paul Gaultier.

Elle meurt le 12 mars 2020 à Paris « des suites d'une longue maladie ».

Tonie Marshall avec Alain Delon et Georges Cravenne à la 25e cérémonie des César en 2000.

2000 - Pour le film : VÉNUS BEAUTÉ (institut) - César du Meilleur Film, Cannes, France.
2000 - Pour le film :VÉNUS BEAUTÉ (institut) - César du Meilleur Réalisateur, Cannes, France.
2000 - Pour le film : VÉNUS BEAUTÉ (institut) - César du Meilleur Scénario Original, Cannes, France.
1995 - Pour le film : ENFANTS DE SALAUD - Prix de l'Aide à la Création de la Fondation Gan pour le Cinéma