En 2007, Marcel Kittel passe en catégorie espoirs (moins de 23 ans) et intègre l'équipe continentale allemande Thüringer Energie. Il remporte cette année-là le championnat d'Allemagne du contre-la-montre espoirs et se classe du championnat du monde du contre-la-montre espoirs à Stuttgart en Allemagne. Régulièrement sélectionné en équipe d'Allemagne espoirs en 2009 et 2010, il gagne le championnat d'Europe du contre-la-montre espoirs 2009 et se classe quatrième du championnat du monde du contre-la-montre espoirs cette même année, devancé de 7 secondes par Patrick Gretsch, son coéquipier en équipe d'Allemagne et chez Thüringer Energie. Il gagne également avec Thüringer Energie des étapes du Tour du Haut-Anjou, de la Flèche du Sud et du Tour de Thuringe.