Als Radsporttalent entdeckt wurde Karl-Heinz Marsell beim Wettbewerb „Erster Schritt für junge Radfahrer“, veranstaltet von der "Westfälischen Rundschau". 1954 gewann er die deutsche Meisterschaft der Jugend im Straßenrennen. Von 1955 bis 1966 war er Profi-Rennfahrer; er war fast ausschließlich als Steher aktiv. Sein größter Erfolg war der Gewinn des Weltmeistertitels 1961 in Zürich. Jeweils dreimal wurde er Europameister und Deutscher Meister der Profi-Steher. Bei den UCI-Bahn-Weltmeisterschaften 1964 belegte er einen dritten Platz. Viermal zwischen 1957 und 1961 gewann Marsell zudem den renommierten „Großen Weihnachtspreis der Steher“ in der Dortmunder Westfalenhalle.