בשנת 1940 התגייס דוד מרכוס בהתנדבות לצבא ארצות הברית, כשראה שיש סבירות גבוהה שארצות הברית תגרר למלחמת העולם השנייה. בתחילה מילא תפקיד בפרקליטות הצבאית, ולאחר מכן, ב־1942, הפך למפקד בסיס לאימוני סיירים (Rangers) באיי הוואי. תפקידו הבא היה במחלקה לעניינים אזרחיים של המפקדה העליונה של בעלות הברית בזירה האירופית (SHAEF). כשנשלח ללונדון לפני הפלישה לנורמנדי כדי לסייע להכנות להקמת מנהל אזרחי באירופה אחרי שחרורה מהכיבוש הנאצי, הצטרף, תוך חריגה מתפקידו, לפלישה עצמה ונלחם באופן פעיל בקרבות לשחרור אירופה. בעיתון "פוינטר" (Pointer) מאותה תקופה סופר על קרב שבו חיסל מרכוס עמדת מקלען והרג שישה חיילים גרמנים. בקרב אחר הרג ארבעה, ובדיווחים שונים, ואף סותרים זה את זה סופר על עלילות גבורותיו בנקודות רבות ברחבי המערכה. דרך הגעתו של מרכוס לאירופה לא ברורה כלל. בחלק מהמקורות נטען שנחת מתוך כלי שיט כלשהו ואולי הגיע בדאון. ככל הנראה, צנח מתוך מטוס עם הכוחות הפולשים הראשונים. צניחה זו הייתה הצניחה הראשונה של מרכוס בחייו. מאוחר יותר הוחזר מרכוס לארצות הברית, ובסוף המלחמה ולאחריה מילא תפקידים נוספים בתחום הדיפלומטיה: הוא היה מזכ"ל הקבוצה האמריקנית במועצת הפיקוח של בעלות הברית בברלין, והשתתף בוועידות יאלטה, טהראן ופוטסדאם.