Charles Marville débute comme peintre-graveur. On trouve quelques-uns de ses dessins dans La Seine et ses bords de Charles Nodier (1836) et dans Paul et Virginie de Bernardin de Saint-Pierre (édition de 1838).
Il publie ses premières photographies d'architecture chez Blanquart-Évrard à partir de 1851. En 1853, il illustre l'album Sur les bords du Rhin puis les séries Architecture et sculpture de l'Art religieux (1853-1854). Il se signale comme " Photographe du musée impérial du Louvre ". Il collabore également aux grands chantiers de restauration de cet époque, menés par les architectes Viollet-le-Duc, Abadie ou le sculpteur Millet. Il prend ainsi en photos la Sainte-Chapelle, Notre-Dame ou d'autres cathédrales de France.
En 1862, il est " Photographe de la Ville de Paris ". Il photographie alors le nouveau mobilier urbain et les nouveaux aménagements de la ville comme le bois de Boulogne. Il publie en 1865 l'Album du Vieux-Paris, commande du service des Travaux historiques qui vient d'être créé. Cet album rassemble des vues des vieilles rues de Paris avant leur destruction lors des transformations de Paris sous le Second Empire. Il photographie ainsi le percement de l'avenue de l'Opéra à la fin des années 1870.
On ne connaît pas précisément la date de sa mort, supposée en 1879, année où son atelier est racheté par le photographe Armand Guérinet.
La Bibliothèque historique de la Ville de Paris conservent les négatifs des photos de l'Album du Vieux Paris.