Marianne Elisabeth Koch wurde am 19. August 1931 als Tochter der Pianistin Mathilde Aumüller und des Mediziners Rudolf Schindler in München geboren. Als Kind spielte sie Theater und hospitierte an der Opernschule, doch nach dem Abitur im Jahr 1949 begann sie zunächst ein Medizinstudium. 1950 wurde Marianne Koch während der Semesterferien von Regisseur Viktor Tourjansky entdeckt, der sie für seinen Film "Der Mann, der zweimal leben wollte" engagierte. Obwohl Koch über keine klassische Schauspielausbildung verfügte, überzeugte sie mit ihrem natürlichen Auftreten und ihrer Intuition, weshalb sofort weitere Rollenangebote folgten: So spielte sie eine Kammerzofe in "Dr. Holl", wirkte in der Literaturverfilmung "Der Klosterjäger" mit und gab die Prinzessin Sophie im historischen Drama "Ludwig II."

Der endgültige Durchbruch als Darstellerin kam mit "Des Teufels General", und für ihr Porträt der mutigen Diddo Geiss wurde Marianne Koch 1955 beim Deutschen Filmpreis mit dem Filmband in Silber für die beste weibliche Nebenrolle ausgezeichnet. Im selben Jahr erhielt sie auch einen Goldenen Bambi und gab in "Zwei blaue Augen" eindrucksvoll ein im Krieg erblindetes Mädchen. Nunmehr ein Star, übernahm Marianne Koch Hauptrollen in prominent besetzten Produktionen, etwa in der Komödie "Salzburger Geschichten" von Kurt Hoffmann, an der Seite von Rudolf Prack im populären Heimatfilm "Die Landärztin" oder als kokette Rosalinde in der Filmoperette "Die Fledermaus". Dass sie das ernste Fach ebenso beherrschte, bewies sie derweil in Dramen wie "Die Frau am dunklen Fenster".

In den 1960er Jahren trat Marianne Koch vermehrt in europäischen und internationalen Co-Produktionen auf, darunter an der Seite von Clint Eastwood in Sergio Leones klassischem Italo-Western "Für eine Handvoll Dollar".

Seit Mitte der 1950er Jahre arbeitete Marianne Koch zudem für das Fernsehen: So spielte sie eine Hauptrolle im populären Krimimehrteiler "Tim Frazer" und übernahm die Titelrolle in der Serie "Die Journalistin". Auch in Show- und Informationsformaten reüssierte die beliebte Künstlerin, die in den 1960ern gleich mehrfach den Publikumspreis der einflussreichen Jugendzeitschrift "Bravo" erhielt und 1967 mit der Goldenen Kamera der Hörzu ausgezeichnet wurde. So gehörte sie u.a. von 1960 bis 1988 zum prominenten Rateteam der legendären Quiz Show "Was bin ich?" und gewann für ihre Arbeit als Moderatorin der Talk Show "Drei nach Neun" den Grimme-Preis.

Trotz ihrer vielfältigen Engagements nahm Marianne Koch 1973 ihr Medizinstudium wieder auf und brachte es zwei Jahre später zum erfolgreichen Abschluss. Ab 1985 praktizierte sie zudem als Fachärztin, veröffentliche mehrere Gesundheitsratgeber arbeitete als medizinische Expertin für TV- und Radiosendungen.

Marianne Koch lebt im oberbayerischen Tutzing am Starnberger See.