Mr O'Malley, som också är före detta borgmästare i Baltimore, ansluter sig till Hillary Clinton och Bernie Sanders i det primära loppet inför valet i USA 2016.
"Jag ställer upp för dig", sa O'Malley till en grupp på cirka 1000 personer i Baltimore på lördag.
Han pekade också på sitt arbete som guvernör i frågor som homoäktenskap, invandring och inkomstskillnader.
"Mitt beslut är fattat. Nu kommer ni alla att ha ett viktigt val att göra nästa år, för era familjers bästa, och för landets bästa ni älskar och bär i era hjärtan, "tillade han.
Den demokratiska nationella kommittén välkomnade en kandidat som hade visat ett "starkt engagemang" för social rättvisa.
O'Malley, som stödde Hillary Clintons misslyckade val till den demokratiska nomineringen i 2008 års val, sade att hans parti förtjänade ett brett val av kandidater.
"Ordförandeskapet är inte en krona som ska föras fram och tillbaka mellan två kungliga familjer", sade han, med hänvisning till republikanska och demokratiska nominerade Jeb Bush och Clinton.
Han sa att han gick med i tävlingen för nominering eftersom det fanns "brådskande arbete" behövde "att återuppbygga sanningen i den amerikanska drömmen för alla amerikaner."
US 2016: Träffa de möjliga kandidaterna
Några demonstranter samlades nära hans tal för att protestera mot O'Malleys straffrättsliga politik som borgmästare i Baltimore.
"Han påstår sig vara Baltimores frälsare, men det är han inte," protesterade Duane Davis berättade för Associated Press.
O'Malley har försvarat sin tidigare "nolltolerans"-politik och sagt att de har bidragit till att bekämpa våldsbrott.
Kritiker har sagt att de bidragit till misstron mellan polisen och det svarta samhället.
Riots bröt ut i staden i april efter Freddie Grays död medan polisen greps.
Tidigare Maryland Guvernör Martin O'Malley har meddelat sitt bud för den demokratiska presidentvalet.