С 2015 года Марсело Оливейра выступает за «Гремио», куда его пригласил Луис Фелипе Сколари для замены ушедшему Зе Роберто. За команду сыграл более ста матчей, имеет статус вице-капитана команды, после Майкона и Педро Жеромела. Помог «Гремио» выиграть Кубок Бразилии в 2016 году. В розыгрыше Кубка Либертадорес 2017 года, который в итоге выиграл «Гремио», начинал также как игрок основы. Сыграл в турнире пять матчей, но пропустил всю заключительную часть кубка из-за травмы. За год получил две серьёзные травмы, в первый раз травмировался ещё в середине мая. В конце ноября врачи разрешили защитнику тренироваться с основной и в итоге Марсело Оливейра был включён в заявку «трёхцветных» на Клубный чемпионат мира.