Пространство будущей площади начало формироваться в первой четверти XVIII века, когда для осушения земель между реками Нева и Мойка были прорыты Лебяжий и Красный каналы. Первый из них ныне отделяет Марсово поле от Летнего сада, а второй был засыпан в конце XVIII века. Образовавшийся участок прямоугольной формы площадью около 11 гектаров стал известен как Пустой, или Большой, луг. В годы правления Петра I на этом лугу проходили военные парады, народные гулянья и фейерверки, что дало ему название «Потешное поле». Здесь располагались деревянный Питейный дом и Зверовой двор с редкими животными, а также павильон с Готторпским глобусом.

В 1740-х годах, по указу императрицы Анны Иоанновны, на лугу, который стал именоваться Царициным, был устроен сад «Променад», созданный при участии Б. Ф. Растрелли и М. Г. Земцова. В конце XVIII века луг обрел классицистическое оформление с постройкой Мраморного дворца и других зданий.
При Павле I на месте снесенного Летнего дворца возвели Михайловский замок, а площадь преобразована в военный плац. Установление памятника великому полководцу А. В. Суворову закрепило за площадью название «Марсово поле», которое стало символом воинской доблести России.
После Отечественной войны архитектор К. И. Росси перепланировал окрестности Марсова поля. В 1819-1825 годах по его проекту был построен Михайловский дворец, ныне Русский музей, а Садовая улица была продлена до площади. Росси также проложил проезд вдоль Мойки и создал пять мостов через Фонтанку, Мойку и Лебяжий канал. У набережной Невы, между Мраморным дворцом и домом Н. И. Салтыкова, образовалась предмостная площадь Троицкого моста, куда перенесли памятник Суворову.
Западнее Марсова поля возник строгий классицистический комплекс казарм лейб-гвардии Павловского полка, спроектированный В. П. Стасовым. Его сдержанные фасады с дорическими портиками определили облик площади. Архитектура казарм гармонично сочеталась с домом Адамини, завершившим западную границу ансамбля. Эти градостроительные проекты связали Марсово поле с окружающими улицами и площадями.
Во второй половине XIX века площадь вновь стала местом праздников и развлечений: здесь строили временные аттракционы и проводили военные парады. Однако она оставалась неблагоустроенной, и жители прозвали её «петербургской Сахарой» из-за пыли.
Современный облик Марсового поля сформировался после революции 1917 года, когда в его центре был установлен памятник «Борцам революции». В 1918 году площадь получила название Жертв Революции, однако в 1944 году ей вернули прежнее имя. В период с 1920 по 1923 год поле было преобразовано в партерный сад, сохранив при этом свою изначальную пространственную структуру. В 1957 году здесь был установлен первый в СССР Вечный огонь, созданный по проекту С. Г. Майофиса.
