Ancien des Commandos de France durant la Seconde Guerre mondiale, Georges Marchal est un acteur représentatif des jeunes premiers du cinéma français d'après-guerre.

Dès le début, il se pose en rival de Jean Marais, sans toutefois arriver au même niveau de reconnaissance et de notoriété. À Paris, il effectue des études secondaires, puis suit des cours de danse classique et acrobatique. Il fait bon nombre de petits métiers, coursier, débardeur aux Halles, garçon de piste au cirque Medrano, avant de s'inscrire aux cours de Madame Calvi, et d'être engagé au théâtre du Palais-Royal pour Permission de détente, une pièce d'Yves Mirande. Il entre à la Comédie-Française à vingt ans pour y jouer notamment Iphigénie en Tauride et Psyché. Il joue ensuite dans le répertoire du boulevard.

Au cinéma, il se fait remarquer dans Lumière d'été de Jean Grémillon et dans Au grand balcon de Henri Decoin, aux côtés de Madeleine Renaud et Pierre Fresnay. L'acteur se tourne ensuite vers le cinéma d'aventures, où il exerce ses talents de cascadeur. Il joue dans plusieurs péplums, dirigé par Marcel L'Herbier, Carmine Gallone, Vittorio Cottafavi, Riccardo Freda, Sergio Leone, interprétant Milon de Crotone, Ulysse, Marc-Antoine, l'empereur Justinien, avec comme partenaires Micheline Presle, Danielle Darrieux, Annabella, Gianna Maria Canale, Yvonne De Carlo ou Anita Ekberg. Il rivalise aussi avec Jean Marais et Gérard Barray dans les films de cape et d'épée. Après Robinson Crusoé et d'Artagnan, il interprète également Louis XIV chez Sacha Guitry; sous la direction d'Abel Gance, il prête ses traits à Gil Blas et Lucien de Rubempré.

En 1951, il épouse l'actrice Dany Robin avec laquelle il tournera six films. Deux enfants, Frédérique et Robin, naissent de cette union. Ils divorcent en 1969.

Dans les années 1960, Georges Marchal devient l'un des acteurs préférés de Luis Buñuel et tourne dans la Mort en ce jardin avec Simone Signoret, Cela s'appelle l'aurore avec Lucia Bosé, Belle de jour avec Catherine Deneuve et la Voie lactée. À la télévision, il joue les rôles d'Antoine d'Hergemont dans L'Île aux trente cercueils, le roi de France Philippe IV le Bel dans Les Rois maudits (1972, épisode I, Le Roi de Fer), dans Les beaux messieurs de Bois-Doré de Bernard Borderie et Quentin Durward de Gilles Grangier, en Richelieu dans Cinq-Mars réalisé par Jean-Claude Brialy. Il incarne aussi l'ami du patriarche de la série à succès Châteauvallon en 1985.

Il fait ses dernières apparitions au cinéma dans Les Enfants du placard de Benoît Jacquot et dans L'Honneur d'un capitaine de Pierre Schoendoerffer.

Il meurt à Maurens en Dordogne.

Il est inhumé au cimetière de Montfort-l'Amaury dans les Yvelines