UU. durante la Segunda Guerra Mundial y luego trabajó en el desarrollo de polibencimidazoles, polímeros resistentes a la temperatura que se utilizan en la industria aeroespacial, en equipos contra incendios y como reemplazo del asbesto .

[1]​ Marvel tuvo que tomar clases extra para "ponerse al día" durante su primer año en la Universidad de Illinois.

En Illinois, Marvel se hizo amigo de su compañero Wallace Carothers.

Clarence Derick creó la unidad Organic Chemical Manufactures en Illinois para fabricar y vender productos químicos que antes se importaban de Alemania.

Marvel era conocido por su capacidad de modificar procedimientos deficientes para hacerlos más eficaces y de describir procedimientos para que otros pudieran seguirlos.

Muchos de estos procedimientos de laboratorio se publicaron posteriormente, primero como folletos sobre Organic Chemical Reagents, por Roger Adams, O. Kamm y C. S. Marvel, y más tarde en la revista Organic Syntheses.

[3]​ Las primeras investigaciones de Marvel fueron en química orgánica clásica.

[1]​ [12]​ En 1928, Marvel fue recomendado por Roger Adams como consultor para DuPont Central Research.

[15]​ Marvel participó intensamente en el programa estadounidense de caucho sintético cuando se interrumpió el suministro de caucho natural durante la Segunda Guerra Mundial.

[1]​ Su grupo identificó el tiol como clave del proceso de polimerización y apuntó a los ácidos grasos poliinsaturados, presentes en los jabones utilizados como emulsionantes, como ingrediente que interfería en las reacciones de polimerización.

[1]​ [18]​Con su nuevo proceso, la polimerización podía completarse en sólo siete horas.

[10]​Entre sus alumnos se encontraban HE Carter, Wallace Carothers, George Graves, William J. Sparks, [1]​ Samuel M. McElvain, [1]​ Arnold Beckman, [22]​ y los futuros premios Nobel Vincent du Vigneaud [1]​ y Edwin G. Krebs .

Necesitaban un material que mantuviera su resistencia cuando se sometiera a temperaturas extremadamente altas.

Investigando polímeros estables a altas temperaturas, Marvel fue el primero en sintetizar el polibenzimidazol (PBI), un polímero de condensación con unidades repetitivas aromáticas y heteroaromáticas.

Su mejor PBI era no inflamable y estable a temperaturas de hasta 600 °C.

[27]​ Marvel también propuso el desarrollo de "moléculas en escalera" (polímeros en escalera), polímeros de nueva generación que serían aún más estables que los polibenzimidazoles.

y el Award for Outstanding Achievement (1966) del Air Force Systems Command.

El Dr. Marvel publicó casi 500 artículos en revistas científicas de todo el mundo y cuatro libros, entre ellos Introduction to the Organic Chemistry of High Polymers.

[10]​ Ávido observador de aves durante toda su vida, las publicaciones de Marvel incluyen artículos sobre observación de aves,[4]​ como "The Unusual Feeding Habits of the Cape May Warbler" (1948) y "The Blue Grosbeck in Western Ontario" (1950).