Чандлер родился в Чикаго в 1888, но переехал в Англию в 1895 со своей матерью-ирландкой после того, как она рассталась с мужем, инженером-алкоголиком из американской железнодорожной компании. Их семью стал поддерживать дядя Чандлера, успешный юрист. В 1900 Чандлер получает классическое образование в Далидж-Колледже в Лондоне. В 1907 он принимает английское гражданство для того, чтобы поступить на государственную службу. Вскоре после этого он поступает на работу в Британское Адмиралтейство. Однако ему не нравится профессия госслужащего, Чандлер увольняется и работает журналистом в газетах «Daily Express» и «Western Gazette». Он не добивается особого успеха ни как журналист, ни как поэт (Чандлер в то время пробовал себя в романтической поэзии).
В 1912 Чандлер возвращается в США, в Лос-Анджелес. Он не может найти постоянной работы и перебивается временными заработками — собирает фрукты, изготавливает теннисные ракетки и т. п. Ему приходится экономить на всём, и он ведёт уединённый образ жизни. В конце концов, он заканчивает бухгалтерские курсы и находит постоянную работу. В 1917 США вступают в Первую Мировую Войну, Чандлер присоединяется к Канадским вооруженным силам, участвует в сражениях во Франции. В конце войны он переводится в Королевские военно-воздушные силы Великобритании.
После окончания войны Чандлер возвращается в Лос-Анджелес, где у него вскоре завязывается роман с Сисси Паскаль, замужней женщиной, которая старше его на 18 лет. Сисси разводится со своим мужем в 1920, но мать Чандлера не одобряет эту связь и не даёт разрешения на брак. Однако 26 сентября 1923 года она умирает, и Чандлер 6 февраля 1924 женится на Сисси. Он работает бухгалтером в нефтяной компании «Dabney Oil», и даже становится вице-президентом в 1932, но уже через год его увольняют за алкоголизм, прогулы и угрозы самоубийства.
Для того чтобы как-то зарабатывать на жизнь, Чандлер вновь берётся за перо — но пишет уже не поэзию, а детективные рассказы для дешёвых журналов. Первый рассказ, «Шантажисты не стреляют», опубликован в журнале «Чёрная маска» в 1933; первый роман, «Глубокий сон», увидел свет в 1939. После этого выходят романы «Прощай, любимая» (1940), «Высокое окно» (1942), «Девушка в озере» (1943). На волне успеха Чандлера приглашают сценаристом в Голливуд, где он в соавторстве с Билли Уайлдером создаёт сценарий для фильма «Двойная страховка» (1944). Позже он, уже самостоятельно, пишет сценарий для фильма «Синий георгин» (1946). Чандлер также принимал участие в создании сценария к фильму «Незнакомцы в поезде» (1951) Альфреда Хичкока. В эти годы он переезжает в район Ла-Хойя.
В 1954 умирает Сисси Чандлер. Во время болезни, предшествующей её смерти, Чандлер пишет роман «Долгое прощание» (1954). Последовавшее за смертью жены одиночество приводит его к клинической депрессии, он снова начинает сильно пить, что сказывается на качестве его произведений. В 1955 он предпринимает попытку самоубийства. В 1956 он вновь берёт гражданство США, после чего едет путешествовать в Европу. Вернувшись домой, в 1959 он заболевает пневмонией и умирает в госпитале. Похоронен на кладбище Сан-Диего.
В фильме Марлоу 1969 г. снялся Брюс Ли. В фильме Долгое прощание 1973 г. в эпизоде снялся Арнольд Шварценеггер (в титрах не указан).