Marcolongo se graduó en 1886 y más adelante fue asistente de Valentino Cerruti en Roma.
Se trasladó en 1908 a la Universidad de Nápoles, donde permaneció hasta su jubilación en 1935.
Trabajó en cálculo vectorial junto con Cesare Burali-Forti, desarrollando lo que por entonces se conocía como "notación italiana".
En 1906, escribió una obra temprana que usaba el formalismo de cuatro dimensiones para explicar la invariancia relativista bajo las transformaciones de Lorentz.
En 1921 publicó en Mesina uno de los primeros tratados sobre la relatividad especial y general, donde utilizó el cálculo diferencial absoluto sin coordenadas, desarrollado con Burali-Forti, en oposición al cálculo diferencial absoluto con coordenadas de Tullio Levi-Civita y Gregorio Ricci-Curbastro.