Fratello maggiore di Emilio; considerato corridore completo ed estroso, alla fine degli anni '40 sbaragliò il campo mettendo a soqquadro l'intero movimento ciclistico Dilettantistico Italiano, vincendo in due anni circa 25 gare con in testa il Campionato Italiano Dilettanti del 1949 che allora si disputava in tre prove. La più bella giornata di Marcello fu il 25 settembre 1949, a Sulmona, dove vinse il titolo su strada, battendo tutti i concorrenti nella terza prova per la maglia tricolore dei "puri", così come tutti li aveva piegati nella prima, il 3 luglio ad Arezzo.
Nel '51 passò professionista, alla Frejus, classificandosi diciottesimo nella Milano-Torino e poi undicesimo nella Milano-Sanremo. Partecipò anche al suo primo Giro d'Italia: nessun eccezionale piazzamento e il 53° posto nella classifica finale. Non mantenne le speranze dei tifosi nella categoria superiore dove comunque si comportò dignitosamente per sei stagioni (ha concluso tra l'altro quattro "Giri d'Italia"), conquistando qualche bella vittoria soprattutto nelle competizioni "promiscue".
Protagonista sua malgrado di un discusso episodio nel Giro di Lombardia del 1951 quando passò una ruota al compagno Kubler che aveva forato: tale comportamento allora non era regolamentare ed i due furono squalificati (Ciolli addirittura per tre mesi oltre a centomila lire di multa!). Questa decisione scatenò furiose polemiche in quanto impedì a Kubler di primeggiare nella prestigiosa "Desgrange-Colombo". La squalifica era a tutto il 31 marzo 1952, perchè la sua posizione era stata aggravata da dichiarazioni inesatte. La squalifica gli venne però ridotta, e il 15 marzo potè presentarsi alla Milano-Torino, per l'esordio nella nuova stagione, sempre con la Frejus.
Con questi colori vi rimase per sei lunghissimi anni fino al termine della carriera (1956) vincendo 8 gare. Grazie alla sua innata simpatia fu preso a benvolere dai suoi "Patron" Enrico e Eraldo Ghelfi e non di rado era ospite nella loro villa servito e riverito. Personaggio simpaticissimo con il suo figlinese spigliato portò una ventata di entusiasmo nel mondo dei professionisti, tanto che tutti lo stimavano e tutti gli erano amici. Considerato l'uomo dalla fuga facile, non vi era tappa del Giro che lui non attaccasse. Alla Radio degli anni '50 il suo nome era un dolce ritornello che rimbombava nelle nostre case e più o meno "suonava" così: siete collegati con il Giro d'Italia ed anche in questa tappa attacca il toscano Marcello Ciolli..... A soli 28 anni terminò la carriera per ricoprire un posto di responsabilità in una importante industria siderurgica Valdarnese. Da pensionato ha continuato a seguire il ciclismo e quando si presentava alle corse creava sempre un cerchio di persone entusiaste attorno a lui.