Fille d'Antoine Félix Joseph Desbordes (1751-1817), horloger, peintre et doreur en armoiries, et de Marie Catherine Lucas (1758-1802), de leur union célébrée le 27 août 1776 à Douai naît à cinq heures du matin Marceline Félicité Josèphe Desbordes le 20 juin 1786. Marceline est la petite sœur de Catherine Cécile (1777-1854), de Sophie Reine (1779-1781), d'Eugénie Marie Anne (1780-1850), et de Philogène Félix (1782-1851).
Copie du certificat délivré par le prêtre Louis-Joseph Goguillon (1752-1824), le 22 juin 1786 : L'an mil sept cent quatre-vingt-six, le vingt-deux juin, je, curé soussigné, ai baptisé une fille, née le vingt dudit mois, cinq heures du matin, en légitime mariage du sieur Antoine-Félix-Joseph Desbordes, maître peintre, et de Marie-Catherine-Josèphe Lucas, habitants de cette paroisse à laquelle on a imposé le nom de Marceline-Félicité-Josèphe. Le parrain a été monsieur Jacques-Joseph Crunelle, avocat au parlement, de la paroisse de Notre-Dame de la Chaussée, à Valenciennes, et la marraine Marie-Marcelline Hochart, épouse de maître Foucqué, avocat au Conseil d'Artois, de la paroisse de Saint-Nicaise en la cité d'Arras.
Elle est née dans une famille de la petite bourgeoisie, à Douai, ruinée par La Révolution française (1789-1799). Dans une lettre adressée à Charles-Augustin Sainte-Beuve, Marceline lui écrit : Mon père m'a mise au monde à Douai, son pays natal, on habitait une humble maison au nº 32 de la rue Notre-Dame, touchant à droite au cimetière paroissial et non loin de l'hôtellerie de l'Homme sauvage. J'ai été son dernier et son seul enfant blond. J'ai été reçue et baptisée en triomphe, à cause de la couleur de mes cheveux, qu'on adorait dans ma mère. — Ma mère était belle comme une vierge, on espérait que je lui ressemblerais tout à fait, mais je ne lui ai ressemblé qu'un peu et si l'on m'a aimée, c'était pour autre chose qu'une grande beauté.
Marceline se livre davantage, et poursuit : Mon père était peintre en armoiries ; il peignait des équipages, des ornements d'église. Sa maison tenait au cimetière de l'humble paroisse Notre-Dame, à Douai. Je la croyais grande, cette chère maison, l'ayant quittée à sept ans. Depuis je l'ai revue, et c'est une des plus pauvres de la ville. C'est pourtant ce que j'aime le plus au monde, au fond de ce beau temps pleuré. — Je n'ai vu la paix et le bonheur que là. Puis une grande et profonde misère quand mon père n'eut plus à peindre d'équipages ni d'armoiries. J'avais quatre ans à l'époque de ce grand trouble en France.
Comédienne dès l'âge de seize ans, Marceline débute au théâtre à l'italienne de Douai, puis au théâtre de Lille, elle est ensuite engagée au Théâtre-des-Arts à Rouen. Remarquée par des acteurs de l'Opéra-Comique de Paris, de passage, dont le compositeur André Grétry (1741-1813), il se chargera par la suite de l'éducation musicale de la jeune fille, et Marceline se produira à Paris. Au cours de sa carrière théâtrale, elle jouera la plupart du temps des rôles d'ingénue.
En août 1819, Marceline Desbordes-Valmore publie son premier recueil de poésie, Élégies, Marie et romances. En 1820 paraissent les Poésies de Mme Desbordes-Valmore. En 1822, parut la troisième édition, revue et augmentée, des Poésies ; puis, en 1825, les Elégies et Poésies nouvelles ; puis, chez Boulland, en deux éditions, l'une illustrée, l'autre non, le recueil de tous les poèmes. Marceline devient célèbre, Alphonse de Lamartine lui-même l'admirait. En 1833, elle publie un roman autobiographique, L'Atelier d'un peintre, dans lequel elle met en évidence la difficulté pour une femme d'être pleinement reconnue comme artiste.
En 1817, Marceline se marie avec Prosper Lanchantin, dit Valmore (1793-1881), artiste de comédie, acteur et écrivain français, rencontré à Bruxelles lors d'une tournée. De leur union, célébrée en 1817, naissent quatre enfants : Junie (née en 1818, décédée quelques semaines après), Hippolyte (1821-1892), Hyacinthe, dite Ondine (1821-1853), et Inès (1825-1846). Elle devient par ce mariage Madame Marceline Desbordes-Valmore.
Au 59 rue de Rivoli, à Paris, c'est dans la nuit du 22 au 23 que battit, pour la dernière fois, son coeur trop tendre. Marceline Desbordes-Valmore repose au cimetière de Montmartre à Paris. Lors de la séance du 25 août 1859, l'Académie française lui décerne le prix Lambert à titre posthume.