Fille de Micheline Presle (Falbalas, Le Diable au corps), 97 ans, et de l’acteur et réalisateur William Marshall, Tonie Marshall naît le 29 novembre 1951 à Neuilly-sur-Seine. La légende dit qu’elle aurait grandi près du cinéma d’art et essai Le Studio des Ursulines sur lequel donnait sa chambre. Sa vocation était inévitable : elle sera comédienne. Après avoir suivi les fameux cours d’art dramatique de Jean-Louis Cochet, elle décroche en 1973, à 22 ans, un petit rôle dans L’événement le plus important depuis que l’homme a marché sur la Lune – dans lequel joue également sa mère. En 1980, elle interprète une prof d’histoire-géo faussement naïve dans Les sous-doués de Claude Zidi puis incarne le personnage de Tante Aline dans l’émission de télévision « Merci Bernard ». En parallèle, à partir de 1983, elle entame avec le rare Jacques Davila une collaboration fructueuse - trois films ensemble. « Nous avons la même passion pour les mots, le même humour », confiait-elle à propos du réalisateur du joli La Campagne de Cicéron (1990) dans lequel elle incarne une artiste foldingue.
En 1989, c’est le grand saut de la réalisation. « J'étais actrice car c'était ce qui me paraissait le plus naturel, mais je m'intéressais beaucoup à l'écriture, à la production », dira-t-elle. Dans Pentimento, une comédie policière débridée, elle offre à Antoine de Caunes son premier rôle au cinéma. Suivront deux comédies grinçantes, Pas très catholique (1993) et Enfants de salaud (1996), toutes deux avec Anémone, qui établissent son univers doucement déjanté où les femmes ont le premier rôle. La consécration survient en 1999 avec Venus Beauté (Institut), chronique décapante et tendre d’un institut de beauté qui révèle une certaine Audrey Tautou et attire 1,3 million de spectateurs en salles. L’année suivante, aux César, le film récolte quatre prix dont celui de la meilleure réalisation - le seul obtenu à ce jour par une femme.
Elle continue à réaliser et enchaîne dans les années 2000 Au plus près du paradis (2002), France Boutique (2003) et Passe-passe (2008). En 2014 Tu veux ou tu veux pas, comédie de mœurs avec Sophie Marceau et Patrick Bruel, rencontre un beau succès public. Avec Numéro une, en 2017, Tonie Marshall signe son dernier film, sorte de manifeste sur la condition féminine. Elle y dépeint le parcours de combattante d’une ingénieure (jouée par Emmanuelle Devos) pour prendre la tête d’une entreprise du CAC 40. La réalisatrice dénonçait alors en interview « une organisation frontale » et une « misogynie bienveillante, paternaliste » qui empêchent les femmes d’accéder aux hautes sphères du pouvoir. Membre du collectif 50/50 pour 2020, Tonie Marshall militait en faveur de l'égalité entre femmes et hommes dans le cinéma. Elle fut par ailleurs membre, en 2019, de la commission d’aide au développement du CNC.