Marchisio nació en Turín y se crio en Chieri, una comunidad cercana a Turín. Cuando era niño, desarrolló un interés en el fútbol y fue descubierto durante un partido de exhibición, antes de incorporarse a la cantera de la Juventus F. C. a los siete años de edad. Mientras estaba en la cantera juventina, jugó como segundo delantero, hasta que se cambió al centro del campo a la edad de dieciséis años. Durante las temporadas 2004-05 y 2005-06 fue convocado por primera vez por Fabio Capello pero se mantuvo en el banquillo de suplentes.