Né dans une famille assez aisée, Charles Marsh (il détestait le prénom d'« Othniel ») était un élève plutôt lent et dont les piètres résultats à l'école ne laissaient guère présager qu'il deviendrait un éminent scientifique. Étant cependant entré dans les bonnes grâces de son oncle maternel, le riche philanthrope George Peabody, après avoir été diplômé du Yale College en 1860 il étudia à l'université Yale et étudia la géologie et la minéralogie à la Sheffield Scientific School de Newhaven. Il partit ensuite pour l'Allemagne étudier la paléontologie et l'anatomie à Berlin, Heidelberg et Breslau. Son oncle, qui admirait beaucoup son érudition, le finança largement.
En 1866 il retourna aux États-Unis et persuada son oncle qu'il fallait créer à Yale un musée d'histoire naturelle, l'actuel Peabody Museum of Natural History, à la tête duquel Marsh serait lui-même à titre de professeur. À l'époque, il n'y avait pratiquement aucun paléontologue professionnel en Amérique et Marsh ne négligea rien pour établir la réputation de son institut et devenir le paléontologue le plus éminent du pays. La meilleure façon était bien sûr la découverte des nouveaux fossiles spectaculaires. Sur ce point Marsh eut beaucoup de chance. À l'Ouest on pratiquait systématiquement des fouilles pour rechercher des gisements de minerais : c'était l'idéal pour faciliter aussi la recherche en paléontologie.
Il découvre en mai 1871, le premier ptérosaure fossile américain. Il découvre aussi les restes d'anciens chevaux. Il décrit aussi des oiseaux dentés du crétacé (comme les Ichthyornis, les Baptornis ou les Hesperornis) et des reptiles volants, ainsi que de nombreux dinosaures du crétacé et du jurassique comme l'Apatosaurus et l'Allosaurus.
En 1977, en hommage à ce pionnier de la paléontologie, le nom d'Othnielia est donné à un petit dinosaure de la famille des Hypsilophodontidés.
Marsh est l'un des deux protagonistes de la guerre des os, qui l'affronta à Edward Drinker Cope (1840-1897). Les deux hommes rivalisaient pour découvrir les grands spécimens paléontologiques en s'autorisant tous les coups possibles.
Il compta parmi ses élèves et assistants Georg Baur (1859-1898).
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