Marek Harloff wurde am 22. April 1971 in Hamburg als Sohn einer Künstlerfamilie geboren. Großvater Hans war Theaterintendant und Regisseur, ebenso sein Vater Jan, der auch als Autor tätig war. Seine Mutter Annegret arbeitete derweil als Regieassistentin.

Vor diesem künstlerischen Hintergrund sammelte Harloff daher in kleinen Rollen schon früh erste Schauspielerfahrungen vor der Kamera. Sein Debüt hatte er als Vierjähriger in einem Beitrag für die Sesamstraße, in dem er im Kleid seiner Cousine als Blumenmädchen auftrat. Danach wirkte er aber vor allem als Sprecher in Hörspielen wie den "Funk-Füchsen" und später in Computerspielen der TKKG-Reihe mit.

Harloff studierte zunächst Germanistik und Philosophie, dann Musik. Da er Opernsänger werden wollte, nahm er zusätzlich klassischen Gesangsunterricht. Zur Schauspielerei kam er schließlich durch einen Zufall: Als sein Bruder Fabian Harloff, anstatt eines Parts in einer Folge der TV-Krimireihe "Ein Fall für zwei" ein anderes Angebot wahrnehmen wollte, übernahm Marek kurzfristig dessen Rolle - mit nachhaltigem Erfolg: In den frühen 1990er Jahren wurde auch der jüngere der Harloff-Brüder von da an regelmäßig in Fernsehproduktionen besetzt. Seine erste größere Rollen hatte er nach einigen kleineren Auftritten schließlich in Dieter Wedels Mehrteiler "Der Schattenmann" (1995), in dem er den Sohn des ehrenwerten Gangsterbosses Janusz 'Jan' Herzog (Mario Adorf) mimte.

Auf der großen Leinwand sah man Marek Harloff erstmals in einer Nebenrolle in dem von Götz George getragenen Serienmörderportrait "Der Totmacher" (1995, Regie: Romuald Karmakar) über den berühmt-berüchtigten Fall Haarmann der 1920er Jahre. In Janek Riekes lebensnaher Liebeskomödie "Härtetest" (1997) folgte sein zweiter Auftritt in einem Kinospielfilm. Am erfolgreichsten war der Nachwuchsschauspieler jedoch weiterhin beim Fernsehen.

So erhielt er 1998 den Darstellerpreis beim Fernsehfilmfestival Baden-Baden für seinen bemerkenswerten Auftritt in Dominik Grafs TV-Thriller "Der Skorpion" (1997). Ebenso wurde er mit einem Silbernen Löwen, dem RTL-Fernsehpreis für Hervorragende Nachwuchsleistung, ausgezeichnet. In Grafs Krimi spielt Harloff an der Seite von Heiner Lauterbach den depressiven Sohn eines manischen Drogenfahnders, der sich schließlich im jenem Milieu wiederfindet, in dem sein Vater ermittelt. Bereits in den Jahren zuvor waren Lauterbach und Harloff in "Inkasso" (TV, 1994), "Diebin des Feuers" (TV, 1996) und nicht zuletzt auch dem "Schattenmann" gemeinsam auf dem Bildschirm zu sehen gewesen. Neben weiteren Nebenrollen in TV-Produktionen gegen Ende der 1990er folgte in "Drachenland" (TV, 1999) eine Hauptrolle als junger Computerspielentwickler, sowie die intensive Rolle des suizidalen Pablo im Jugenddrama "Der Schrei des Schmetterlings" (TV, 1999).

In den folgenden Jahren wandte sich Marek Harloff verstärkt dem Kinofilm zu: Nach einem Auftritt als Lebenskünstler Dean in der deutsch-österreichischen Koproduktion "Kaliber Deluxe" (2000) folgte eine eindrucksvolle Hauptrolle als introvertierter Träumer David, der mit der Wirklichkeit konfrontiert wird, in "Vergiss Amerika" (2000, Regie: Vanessa Jopp), für die Harloff schließlich für den Deutschen Filmpreis nominiert wurde. Es folgten weitere Rollen für das Kino, darunter kleine ausgefallene, wie die 5. Ophelia in "Hamlet X" (2003), aber auch zentrale Hauptrollen wie in "Der Junge ohne Eigenschaften" (2006). In der internationalen Koproduktion "Blackout Journey" (2005) spielte er einen abgebrannten Musiker, der über familiäre Umwege an Geld gelangen will und im Deutschen-Filmpreis-nominierten "Komm Näher" (2006) unter der Regie von Vanessa Jopp erneut einen Protagonisten namens David, diesmal als überlasteter Ehemann. In den Folgejahren war Harloff dann in zwei Berlinale-Beiträgen zu sehen, Ann-Kristin Weckers "Jagdhunde" (2007) und Monika Treuts "Ghosted" (2009).

Neben dem Langspielfilm fühlte sich der Schauspieler, der zumeist in sensiblen, oft widersprüchlichen Rollen besetzt wurde, auch im kürzeren Format zuhause. So stellte er sein Talent unter anderem in den Kurzfilmen "In the Ghetto" (1999), "Wer zuerst lacht" (2002), "Die Zigarrenkiste" (2008), "Seine Meine Schuld" (2011) und einem der "99euro-films" (2001) unter Beweis. Gleichzeitig war Marek Harloff stets als Theaterschauspieler aktiv und nach vielen Stationen als Gast an Bühnen im In- und Ausland, darunter das Deutsche Theater Berlin, das Centraltheater Leipzig und das Schauspielhaus Zürich, gehört er seit 2013 zum Ensemble des Schauspiel Köln. Sein musikalisches Talent lebt der Multiinstrumentalist, der Klavier, Gitarre, Saxophon und Bass beherrscht, in der Band TempEau aus, die er 2004 zusammen mit Sänger und Gitarrist Jan Plewka und Schlagzeuger Stephan Eggert (Selig) gründete.

Im Fernsehen war Marek Harloff zuletzt in einem Kurzauftritt im ZDF-Mehrteiler "Unsere Mütter, unsere Väter" (2012), sowie im Leipziger Tatort "Türkischer Honig" (2013) zu sehen.