Марвин оставил школу и поступил в 4-ю дивизию морской пехоты США, где служил снайпером. Участвовал во Второй мировой войне, в 1944 году был ранен в битве за Сайпан, за восемь месяцев до сражения за Иводзиму. Большинство солдат его взвода погибли. Эта битва навсегда оставила след в его жизни. Ли Марвин получил «Пурпурное сердце» и был комиссован по состоянию здоровья в чине рядового первого класса. Позже распространились слухи, что Марвин служил вместе с телепродюсером и актёром Бобом Кишаном, и они вместе сражались на Иводзиме, что не соответствует действительности.