Sa renommée internationale est venue avec le court métrage La Jetée (1962), qui raconte des expériences scientifiques pour effectuer des voyages temporels dans un monde post-apocalyptique. La seule fiction de Marker est paradoxalement son oeuvre la plus connue et la seule dont il dit n'apprendre qu'à regret la diffusion. La forme de ce film est celle d'un montage d'images fixes, duquel résulte une suite de « photographies » lui conférant une atmosphère tout à fait particulière et profondément originale, quoique déconcertante. Grâce au procédé du commentaire en voix off, que Marker utilise dans nombre de ses oeuvres, l'auteur parvient à faire passer dans son film son talent littéraire. Ce style dégage une émotion extraordinaire à la tonalité douce-amère, qui le faisait sans doute supplier par Alexandre Medvedkine, aîné de Marker qui lui rendra hommage dans Le Tombeau d'Alexandre, de faire l'effort d'écrire « un peu, rien qu'un peu ». Pourtant, l'un des rares livres de Marker, le roman Le coeur net, demeure aujourd'hui introuvable du fait de la volonté de son auteur que cette oeuvre ne soit pas lue. La jetée inspire entre autres
Terry Gilliam pour l'Armée des douze singes. En 2008, les Éditions Kargo & l'Éclat font paraître en France une version livre du ciné-roman de La Jetée .
En 1982,
Sans soleil étend les limites du genre « documentaire ». C'est un essai, un montage, mélangeant des parties de documentaire et de fiction avec des commentaires philosophiques. Ce mélange crée une atmosphère de rêve et de science-fiction. Les thèmes principaux sont le Japon, la mémoire et le voyage. Le titre du film est tiré du cycle de chansons Sans soleil de Modest Mussorgsky.
Avec Sans soleil, Marker développe un intérêt certain pour les techniques numériques, qui le mène à réaliser en 1996 le film
Level Five avec comme unique actrice
Catherine Belkhodja qu'il met en scène autour d'une réflexion sur la bataille d'Okinawa. Bien que souvent classé à tort comme un documentaire, ce film n'en est pas moins une fiction mêlée à de vrais témoignages sur la bataille d'Okinawa. Catherine Belkhodja sera aussi la figure centrale d'une magnifique installation vidéo, commandée pour commémorer le Centenaire du Cinéma : Silent Movie (cette exposition fera le tour du monde des plus grands musées mais n'a jamais été présentée en France) et IMMEMORY ONE (1998), un CD-ROM multimédia interactif, co-produit par le Centre national d'art et de culture Georges-Pompidou, les films de l'Astrophore et KAREDAS. Chris Marker poursuit ses recherches en réalisant de nombreuses installations dans différents musées du monde , dont la dernière en date au Musée de Zürich.
Tous les films de Chris Marker sont engagés politiquement et se veulent révolutionnaires (au sens large).Pékin, Cuba, Sibérie soviétique sont les lieux de prédilection de ses documentaires. Il a beaucoup traité des thèmes de la lutte contre l'oppression (guerre, conflits, Viêt Nam, Bosnie-Herzégovine), de la lutte syndicale et ouvrière.
Le Joli Mai est ainsi une chronique à la fois morale et sociologique sur le Paris des années 1960, qui anticipe sur les événements de mai 1968, et qui aborde plus précisément le problème de la perception de l'indépendance de l'Algérie en métropole et du procès des généraux du putsch d'Alger (qui s'est tenu à Paris six ans auparavant en mai 1962), ou encore Le fond de l'air est rouge, groupement SLON (Société de lancement des oeuvres nouvelles ; slon signifie aussi « éléphant » en russe).
L'un de ses premiers documentaires, Les statues meurent aussi, co-réalisé par
Alain Resnais est un essai sur la réception des oeuvres d'art africaines en métropole et est très influencé par le thème malrucien du « Musée imaginaire ». À travers l'idée que le système colonial s'autolégitime politiquement en maintenant un point de vue anti-historique sur les traditions et le patrimoine des peuples dont il assure l'administration, le film lie dans un même mouvement la dénonciation de l'impérialisme culturel et la critique des dysfonctionnement économiques découlant de ce type de régime -- ce qui explique sa longue censure en France.
Il a aussi réalisé différents portraits de cinéastes comme Une journée d'Andrei Arsenevitch sur Andrei Tarkovsky et A.K. sur
Akira Kurosawa.
Ses films sont régulièrement projetés en France, une quinzaine d'entre eux sont visibles au Forum des images de façon permanente.