Марина Неёлова родилась 8 января 1947 года в Ленинграде в семье, далёкой от театра или кино. Валентина Николаевна посвятившая жизнь воспитанию дочери, поощряла её желание выразить себя в искусстве. В 4-летнем возрасте девочка начала заниматься балетом. С детства Марина мечтала стать актрисой.
В 1964 Неёлова поступила и в 1969 году закончила актёрский факультет ЛГИТМиК (мастерская Василия Меркурьева и Ирины Мейерхольд). Ещё будучи студенткой 3-го курса Неёлова дебютировала в кинематографе, исполнив сразу две роли в фильме Надежды Кошеверовой «Старая, старая сказка» и работа сразу была положительно отмечена критиками.
Актриса мечтала попасть в труппу БДТ к Товстоногову, но не решилась прямо обратиться с просьбой к знаменитому режиссёру. В 1971 году Марина переезжает в Москву и устраивается в Театр имени Моссовета к Юрию Завадскому. Пробуется также у Эфроса. В 1974 году Неёлова переходит в «Современник». Валерий Фокин и Константин Райкин ввели её в спектакль «Валентин и Валентина» вместо выбывшей актрисы. С тех пор её профессиональная жизнь связана именно с этим коллективом.
В кино Неёлова начинала со сказочных и романтических ролей постепенно расширяя свой диапазон. В 1972 году она снимается в психологической драме «Монолог», где её напарником по главной роли стал Михаил Глузский. Фильм стал большим творческим достижением актрисы и о ней заговорили как о особом явлении.
В 1970—1980-е годы творческая карьера Марины Неёловой развивается вполне успешно. Она не испытывает недостатка в предложениях ведущих режиссёров страны. Она воплотила на сцене образы героинь известных постановок своего времени: Виола («Двенадцатая ночь»), Аня («Вишневый сад»), Маша («Три сестры»), Марья Антоновна («Ревизор»). Заметным достижением в кинематографе становятся её работы у ведущих мастеров кино страны: Георгия Данелия, Никиты Михалкова, Ильи Авербаха, Эльдара Рязанова, Вадима Абдрашитова и других.
С 1990 годов актриса стала значительно меньше сниматься, посвящая больше времени семье. В 1994—1997 годах она проживала во Франции с мужем, хотя продолжала появляться на сцене. Репертуар театра подстраивали под её расписание приездов.
В настоящее время Марина Неёлова живёт в Москве и продолжает работать в труппе «Современника».
Фаина Раневская отзываясь о начинающей актрисе говорила: её талант нуждается в заботе режиссёра, товарищей по сцене, всех, кто отвечает у нас за театральное искусство, ибо талант — драгоценность. Первые роли Неёловой это воплощение образов романтических и сказочных персонажей на экране. Актрисе очень подходило амплуа травести, с которого она начинала, но оно быстро стало тесным для неё. Наряду с Маргаритой Тереховой и Инной Чуриковой Неёлову сразу отнесли к наиболее ярким молодым дарованиям 1960-х.
Классическими для актрисы стали роли хрупких, ранимых, страдающих героинь, пытающихся отстоять своё «я». Неёловой удаётся продемонстрировать глубину в обыденных и житейских сюжетах, когда её женщины на экране становятся узнаваемыми типажами современного мира. Несмотря на разностороннее дарование Неёловой для неё больше подходит бытовой психологизм, нежели гротеск и эксцентрика ярких характерных ролей.
Исполняя двойную роль Виолы-Себастьяна в «Двенадцатой ночи» Неёлова вдохнула в образ подлинный юмор. Её персонажи глубоко женственны и неподражаемо сексуальны. Вячеслав Зайцев, создававший костюмы для Неёловой, говорил что Марина… соткана из секса.
С 1980-х годов репертуар актрисы обогатился комедийными ролями со склонностью к лёгкому фарсу («Красавец мужина», «Чужая жена и муж под кроватью»). Критики отметили широкий диапазон возможностей Неёловой, профессионализм и умение осветить совершенно неожиданные стороны образа.
Неоднократно Неёловой приходилось «дважды входить в одну и ту же реку» играя разных персонажей в одних и тех же постановках и фильмах. В картине Кошеверовой «Тень» она сыграла Аннунциату, а 17 лет спустя в «Тени…» Михаила Козакова — Юлию Джули. В сценическом варианте «Фантазий Фарятьева» режиссёра Лилии Толмачевой ей досталась роль младшей сестры Любы, а в картине у Авербаха она — старшая сестра Александра.
В 1990—2000 годах актриса стала реже появляться на сцене и экране. Однако, как исполнитель ещё советской школы, она не потерялась в авангардистских поисках нового времени. Так с 2007 года Неёлова исполняет парадоксальную роль Башмачкина в постановке Фокина «Шинель» на сцене «Современника» получив самые тёплые отклики театральной прессы.
Американский критик Питер Маркс так писал о работе Неёловой в постановке «Вишнёвого сада»:
В 1984 году Неёлова познакомилась с Гарри Каспаровым — она старше его на 16 лет. Гарри жил в Баку и приезжал к Марине, когда бывал в Москве. Их роман продлился около 2-х лет и затем прекратился по настоянию матери Гарри Каспарова. В 1987 году у Марины Неёловой родилась дочь Ника. По ряду источников, отец — Гарри Каспаров, хотя он отрицает своё отцовство. Ника в 2010 году окончила лондонскую Школу изобразительного искусства Слейд по классу скульптуры. В этом же году выиграла конкурс New Sensations, проводимый The Saatchi Gallery совместно с Четвёртым каналом телевидения Великобритании.
Муж — Кирилл Горациевич Геворгян, российский дипломат. Работал послом РФ в Нидерландах, сейчас директор правового департамента МИД.
За роль Стеши в фильме Р. Р. Нахапетова «С тобой и без тебя» была отмечена призом «Золотая фемина» на Международном фестивале в Брюсселе.