Это миниатюрный павильон-дворец - главное сооружение западной части Нижнего парка. Павильон сооружён одновременно с закладкой Марлинских прудов по проекту Иоганна Браунштейна в 1720—1723 годах. Дворец получил своё имя в память о посещении Петром I в 1717 резиденции французских королей в Марли-ле-Руа под Парижем (не сохранилась, была разрушена во время Великой французской революции).
Петергофский Марли и окружающие его пруды и сады не повторяют французский прототип, от него заимствованы только общие композиционные решения и идея сочетания декоративного и хозяйственного предназначения парка.
Первоначально павильон-дворец планировался одноэтажным, но в процессе постройки по распоряжению Петра в проект внесли изменения и дворец приобрёл второй этаж, что придало его пропорциям уравновешенность и законченность (в объёме — чётко выявленный куб).
В строительстве и декоре дворца Марли принимали участие скульптор Никола Пино, каменных дел мастера Я. Неупокоев и А. Кардасье. Изначально Марли использовался для проживания знатных особ, гостивших в Петергофе, однако уже в середине 18 века он приобрёл мемориальный характер. Здесь долгое время хранился гардероб Петра I (впоследствии большая часть его передана в Эрмитаж) и другие личные вещи. В дальнейшем за всю историю дворца его предназначение не менялось.
В 1899 дворец был полностью разобран для постановки на новый фундамент. Необходимость радикальных работ возникла из-за того, что пошли трещины по стенам дворца. Руководил реставрационными работами инженер А. Семёнов. Все подлинные детали отделки были сохранены, а точность воссоздания была превосходной.
В ходе Великой Отечественной войны дворец сильно пострадал от попадания мины замедленного действия (коллекции были эвакуированы в 1941 году). Фасады были восстановлены после 1955 года.
В 1982 году Дворец Марли был открыт для посещения как музей.
В современной экспозиции дворца Марли представлены уникальные экспонаты: морская шинель императора Петра I и кафтан с шитым орденом Андрея Первозванного, книги из его библиотеки, стол с «аспидной» доской, выполненный руками царя, его личная посуда. Здесь же представлена коллекция живописи, собранная императором, которая составляет основу живописной экспозиции дворца. В неё входят работы малоизвестных голландских, фламандских и итальянских мастеров 17—18 веков: А. Сило, А. Сторка, П. Белотти, А. Челести и других. Некоторые предметы меблировки аутентичны, другие тщательно подобраны по аналогии, в соответствии сохранившимися документами.