В 1940-е годы Марлоу сыграл в таких популярных картинах, как музыкальная комедия Винсента Миннелли «Встретимся в Сент-Луисе» (1944) с Джуди Гарланд в главной роли, комедия военного времени «Брак — это частное дело» (1944) с Ланой Тёрнер и мелодрама «Миссис Паркингтон» (1944) с Грир Гарсон, а также комедия «Приходи в конюшню» (1949) с Лореттой Янг. В военной драме «Вертикальный взлёт» (1949) Марлоу сыграл важную роль подполковника ВВС и одного из начальников группы бомбардировщиков во время Второй мировой войны, который проходит путь становления под руководством своего командира в исполнении Грегори Пека. Фильм был позитивно принят критикой, отметившей, как написал Босли Краузер в «Нью-Йорк Таймс», что «фильм в большей степени посвящён рассмотрению человеческого фактора, чем самолётам или техническим аспектам войны». Фильм был удостоен двух «Оскаров» и ещё двух номинаций на «Оскар», в том числе в категории «лучший фильм».