Creció en Salt Lake City, Utah, y era la hermana menor de la actriz Alice Day.

En 1926, Marceline Day fue nombrada una de las trece WAMPAS Baby Stars, una campaña promocional patrocinada por la Western Association of Motion Picture Advertisers de los Estados Unidos, con la cual se premiaba anualmente a trece jóvenes prometedoras actrices.

Otras de las galardonadas ese año fueron Joan Crawford, Mary Astor, Janet Gaynor y Dolores del Río.

La publicidad de la campaña le dio aún más popularidad a Day, y en 1927 actuó con John Barrymore en la aventura romántica The Beloved Rogue.

No tuvo hijos, falleció por causas naturales en Cathedral City, California, a los 91 años de edad.