Marcello Donati wurde 1538 in Mantua als Sohn von Ettore, einem Goldschmied aus Correggio (einigen Quellen zufolge wurde D. auch in Correggio geboren), und Laura Pomponazzi, einer Mantuaner Adeligen und Tochter des berühmten Arztes Pietro, geboren.
Über seine Kindheit ist wenig bekannt; zweimal erkrankte er an Malaria: beim ersten Mal dauerte die Krankheit achtzehn Monate, beim zweiten Mal knapp ein Jahr. Er studierte Latein, Griechisch, Spanisch und Französisch sowie Philosophie, Beredsamkeit, lateinische, griechische und italienische Literatur. Marcello Donati Er begann sein Medizinstudium in Mantua bei Francesco Facini, dem Arzt des Herzogs Guglielmo Gonzaga, als Lehrer. Er setzte sie dann in Padua fort, da in Mantua bis 1562 keine akademischen Grade vergeben wurden, und schloss sein Studium in Padua am 17. Juli 1560 ab.
An dieser Universität wurde innerhalb weniger Jahre, von 1543 bis 1546, die Demonstrationsmethode in Anatomie, Botanik und Klinik eingeführt und die Grundlagen der modernen Epidemiologie und Pathologie gelegt. Sein Aufenthalt in Padua war für D.s kulturelle Bildung besonders wichtig: Er lernte alle neuen Theorien kennen und wandte sich an die Professoren, die die galenische Tradition und die traditionelle Anatomie revolutionierten.
Marcello Donati wurde am 12. Oktober 1560, unmittelbar nach seinem Studienabschluss, in das Kollegium der Ärzte in Mantua aufgenommen; es ist daher wahrscheinlich, dass er seine praktische Ausbildung bereits in Padua absolviert hatte. Schon bald machte er sich in Mantua einen Namen als Arzt. Noch nicht einmal vierundzwanzig Jahre alt, wurde er in die „Accademia degli Invaghiti“ aufgenommen.I m Alter von sechsundzwanzig Jahren, wurde er zu deren Vizerektor ernannt. So konnte er aufgrund des von Papst Pius IV. verliehenen Privilegs den Titel eines Ritters tragen. Später, von 1576 bis 1599, war er Rektor dieser Akademie, wo er seine eigenen literarischen Werke, Gedichte und Dissertationen zu verschiedenen Themen las. Die Medizin blieb jedoch sein spezielles Studien- und Tätigkeitsfeld.
Marcello Donati hatte die Gelegenheit, mit illustren Persönlichkeiten über Anatomie zu diskutieren, unter anderem mit dem Spanier Juan Valverde de Hamusco, Autor einer Historia de la composición del cuerpo humano, die mit 42 Tafeln illustriert ist und zu den meistgelesenen Büchern der damaligen Zeit gehört.
Er war mit Ulisse Aldrovandi bekannt, der seinen Namen in zwei Dokumenten erwähnt; er war mit Alfonso Pacio aus Ferrara befreundet, der in einem Brief vom 15. April 1570 ankündigt, dass Marcello Donati "das Werk des Dr. Nicolosa", vielleicht Nicolás Monardes, aus dem Spanischen ins Lateinische übersetze, und mitteilt, dass er D.s Bücher "de variolis et morbillis et un disc discorso del Mechoachan" als Geschenk erhalten habe. Er hatte auch eine fruchtbare Zusammenarbeit mit dem Arzt Cavallara.
Den neuen Strömungen in der Anatomie folgend, bereicherte D. sein Kabinett mit anatomischen Präparaten, obduzierte eigenhändig zahlreiche Leichen und notierte viele Beobachtungen von klinischen Fällen. Er war sowohl mit arabischen als auch mit griechischen und römischen medizinischen Autoren vertraut und nutzte diese Praxis bei der Zusammenstellung seiner Werke.
Der Traktat De variolis et morbillis wurde anlässlich einer Pockenepidemie geschrieben, die 1567 in Mantua wütete; er wurde hier 1569 veröffentlicht, "Apud P. & C. Philoponos', mit De radice purgante quam Mechioacan vocant als Anhang.
Die Abhandlung ist dem Erzherzog Karl von Österreich gewidmet, und D. gibt an, dass er von gelehrten Freunden dazu aufgefordert wurde, seine "elucubrationes" zu drucken. Das Werk, das 1591 und 1597 in der herzoglichen Druckerei Francesco Osanna nachgedruckt wurde, ist in 30 Kapitel unterteilt. Im Anhang beschreibt D. die Merkmale der Pflanze, die aus der Wurzel gewonnene Substanz, ihre pharmakologischen Eigenschaften sowie die Technik der pharmazeutischen Zubereitung. Auf der ersten Seite des Werkes erfährt man, dass er mit Begeisterung eine spanischsprachige Broschüre von Nicolás Monardes las, die ihn dazu veranlasste, mit den bewundernswerten Eigenschaften der Wurzel zu experimentieren. Daher die Schrift von D., die von P. Tolet ins Französische übersetzt und 1572 in Lyon (M. Jove) veröffentlicht wurde.
D. war auch ein Botaniker: im Garten seines Hauses im Bezirk Leone. Vermiglio legte er einen reichhaltigen und gut geordneten botanischen Garten an, in dem er bekannte und exotische Pflanzen sammelte, die neuen Pflanzen aus der Neuen Welt, deren medizinische Wirksamkeit er testen wollte. Außerdem ließ er in seinem Haus ein eklektisches Museum im typischen Geschmack der Spätrenaissance einrichten, eine Sammlung von Gegenständen, die in irgendeiner Weise außergewöhnlich, kostbar oder ungewöhnlich waren und die Bewunderung der Menschen erregten: klassische Marmorinschriften, Skulpturen, Medaillen, Prologe, Bücher, Gegenstände, die nach seinem Tod größtenteils in den Besitz der Familie Gonzaga übergingen.
Im Jahr 1581 wurde er nach Parma geschickt, um die sehr junge Margherita Farnese zu besuchen, die gerade Prinz Vincenzo geheiratet hatte und der im Verdacht stand, nicht in der Lage zu sein, die Ehe zu vollziehen und für Nachkommen zu sorgen. Nachdem er Vincenzo befragt und seine Frau untersucht hatte, schickte D. mehrere Briefe nach Mantua, in denen er die Notwendigkeit einer Operation an der jungen Frau diagnostizierte, ohne jedoch eine Zusicherung über den Erfolg der Operation geben zu können. Der Arzt der Famese, G. Fabrici d'Acquapendente, war weniger drastisch vorgegangen. Im Jahr 1582 wurde Margarete jedoch nach Hause geschickt. Papst Gregor XIII. ernannte daraufhin den Kardinalerzbischof von Mailand, Carlo Borromeo, zum Schiedsrichter in dieser Angelegenheit. Er hörte sich die Meinung der berühmtesten Ärzte an, die nach Parma gerufen wurden, um zu beweisen, dass die junge Braut heilbar war. Letztendlich musste er den Fall - offensichtlich nicht nur medizinisch, sondern auch politisch - zwischen einem Bericht des berühmten Chirurgen Andrea da Fano und der Meinung von D. entscheiden, der befürchtete, dass die Operation für Margherita tödlich sein würde. Borromäus war von der zweiten Hypothese überzeugt und überredete die Farnese, sich ins Kloster zurückzuziehen, um den Prozess der Annullierung der Ehe zu ermöglichen. Es war wiederum D., der im März 1584 als Arzt und Vertrauter der Familie Gonzaga intervenierte, um mit einer von den Medici gewünschten "Eheprobe" zu gewährleisten, dass der junge Vincenzo die Ehe vollziehen konnte und ohne Angst der Prinzessin Eleonora zur Frau gegeben werden konnte. Die Episode des "Tests", der in Venedig in Anwesenheit von D. stattfand, war lange Zeit zu Unrecht mit dem Ruhm des letzteren verbunden, der sich zu Beginn der Verhandlungen zwischen den beiden Häusern erfolglos bemüht hatte, die Gerüchte über den Prinzen zu zerstreuen.
Als Sekretär von Vincenzo Gonzaga war Marcello Donati auch an der Befreiung von Torquato Tasso aus dem Krankenhaus von S. Anna in Ferrara beteiligt. Der Dichter richtete zwischen 1581 und 1585 mehrere Briefe an ihn, um die Aufmerksamkeit des Fürsten auf seinen Fall zu lenken. Er folgte Vincenzo auf seinen Reisen ins Monferrato, in die Toskana und nach Deutschland und wurde mehrmals in diplomatischer Mission an verschiedene Höfe, nach Parma, Ferrara und Florenz geschickt.
In der Zwischenzeit waren 1586 in Mantua die sechs Bücher von De medica historia mirabili von Pater Osanna gedruckt worden, sein Hauptwerk, eine umfangreiche Sammlung klinischer Fälle und persönlicher anatomischer Beobachtungen von antiken, arabischen, mittelalterlichen und zeitgenössischen Autoren, eine der ersten ihrer Art und ein Vorläufer der Tendenz zur Zusammenstellung umfangreicher klinischer Fallgeschichten, die im 18. Jahrhundert in Giovanni Battista Morgagni ihren größten Autor haben sollte. Er beschrieb unter anderem als Erster das Magengeschwür bei einer Leiche und das später so genannte Quincke-Ödem.
Das Werk war sehr erfolgreich: 1588 wurde es in Venedig bei Valgrisi nachgedruckt und 1597 in Venedig bei Giunti neu aufgelegt und ergänzt. Der deutsche Arzt Gregorio Horst gab 1613 und 1664 zwei weitere Ausgaben in Frankfurt heraus. Das Buch ist auch unter sozialgeschichtlichen Gesichtspunkten von großer Bedeutung: Es enthält auch einzigartige und wunderbare Fälle, die dem Geschmack der Zeit entsprachen.
D. wurde im Alter von 31 Jahren, am 8. Januar 1569, mit Cecilia Laziosi verheiratet, einer 61-jährigen Adeligen und wohlhabenden Witwe des herzoglichen Arztes Gian Maria Facini. Mit dieser Heirat sollte sich Marcello Donati, ein bereits etablierter Arzt und Akademiker, weniger Reichtum als vielmehr einen leichteren Zugang zum Amt des herzoglichen Arztes verschaffen.
Vergeblich bemühte sich D., Erben zu finden: Gerolamo, der jüngste Bruder, starb 1579; der andere Bruder, Federico, starb 1581. Im selben Jahr ernannte Marcello Donati seinen Cousin Giulio zum Erben und im Falle seines Todes Giulios Bruder Nicolò. Beide starben jedoch ohne Nachfolger. In seinem Testament von 1599 setzte er seine Frau Cecilia als Nutznießerin seines Erbes ein und bestimmte, dass im Falle des Aussterbens der Donati-Linie von Mantua sein gesamter Besitz an den Monte di pietà übergehen sollte, mit der Auflage, sein Haus in eine Schule für Logik und Literatur umzuwandeln, drei arme junge Männer mit 60 Goldscudi pro Jahr zum Studium an einer berühmten Universität zu beschäftigen und einen fachkundigen Botaniker für die Pflege des von ihm gegründeten Gartens zum Nutzen der Mantuaner Ärzte und Apotheker zu bezahlen.
Marcello Donati starb am 8. Juni 1602, 64-jährig in Mantua an den Folgen eines Schlaganfalls. Sein Cousin Federico, sein Erbe, ließ ihm ein Grabdenkmal in S. Francesco in Mantua errichten.