Van Gansewinkel, die vanaf haar geboorte een onderbeen en een onderarm mist, kwam in oktober 2012 voor het eerst met atletiek in aanraking, tijdens de Paralympische Talentdag van NOC*NSF. Daar werd ze ontdekt door bondscoach Guido Bonsen en uitgenodigd voor vervolgtrainingen bij de selectie. Na maanden trainen op een dagelijkse prothese, kreeg ze op 30 mei 2013 een eigen blade. Tijdens de Gouden Spike in Lisse dat jaar liep ze haar eerste wedstrijd op de 100 m, in een tijd van 15,42 s. Een week later, tijdens een wedstrijd in Berlijn, liep ze met 14,98 voor het eerst onder de vijftien seconden. In hetzelfde jaar maakte ze op de 100 m haar debuut op de wereldkampioenschappen in Lyon, waar ze zevende werd, in een persoonlijk record van 14,32.Na drie vierde plaatsen (100, 200 en 400 m) en een vijfde plaats (verspringen) op de Europese kampioenschappen in Swansea in 2014, won ze tijdens de wereldkampioenschappen van 2015 in Doha (Qatar) een zilveren medaille bij het verspringen met een afstand van 5,27 m. Daarmee verdiende Van Gansewinkel, inmiddels fulltime atlete, een kwalificatie voor de Paralympische Spelen van 2016 in Rio de Janeiro.Op die Spelen leverde Marlène van Gansewinkel de beste prestatie van haar carrière door bij het verspringen de bronzen medaille te winnen. Met een persoonlijk beste sprong van 5,57 m eindigde zij achter de Française Marie-Amélie Le Fur en de Britse Stef Reid. Bij de Europese kampioenschappen van 2018 in Berlijn won ze twee keer goud (100m, 200m) en zilver op het verspringen.