Elle intègre l'équipe de France a l'âge de 14 ans. En 1962à Chamonix, elle devient championne du monde du combiné à 16 ans et demi, et gagne une médaille d'argent en slalom. En 1964 à Innsbruck, aux Jeux Olympiques, elle fait un doublé avec sa s½ur Christine au slalom et en géant. En 1966, à Portillo, elle remporte 3 titres, en descente, en géant, et en combiné et une médaille d'argent en slalom. Aux Jeux Olympiques de 1968 à Grenoble, elle gagne le titre olympique de slalom.
A l'âge de 23 ans, après les Jeux de Grenoble, Marielle Goitschel arrête sa carrière. Elle fut une grande skieuse des années 60 car elle a été couronnée de 2 titres olympiques et de 5 titres de championne du monde.