Здание дворца было заложено одновременно с устройством Марлинских прудов в Нижнем парке. Первоначально оно должно было быть одноэтажным, но впоследствии проект был изменен. Свое название дворец получил в честь резиденции французских королей в Марли-ле-Руа, которую Петр I посетил в 1717 году.
Дворец находится в центре обширного участка с фруктовым садом, фонтанами и водоемами. В XVIII веке он предназначался для проживания знатных особ, гостивших в Петергофе, но уже со второй половины столетия приобрел мемориальную функцию — здесь хранились предметы, связанные с памятью Петра I. Дворец капитально реставрировался в конце XIX века. Во время Великой отечественной войны дворец сильно пострадал, но был тщательно восстановлен.
Компактное прямоугольное в плане двухэтажное здание отличается скромным декоративным убранством. Углы и простенки обработаны горизонтальным рустом. Центральная ось акцентирована полукруглым фронтоном и балконом с фигурной металлической оградой. В интерьерах заслуживает внимания отделка Чинарового и Дубового кабинетов.