Родился в Нижнем Новгороде в дворянской семье. В 1913 году вместе с семьёй переехал в Пензу.

В 1916 году окончил гимназию и уехал в Москву, где поступил на юридический факультет Московского университета. Не проучившись там и полгода, он попал на фронт, где в составе инженерно-строительной дружины занимался устройством дорог и мостов.

В 1916 году появляется первая пьеса Мариенгофа в стихах - «Жмурки Пьеретты». Его произведения вышли в нескольких поэтических сборниках, также в 1918 году он выпустил первую собственную книжку - «Витрина сердца».

В 1924-1925 годах работал заведующим сценарным отделом Пролеткино, написал около десяти киносценариев. 

Большую известность получил «Роман без вранья» об отношениях с поэтом С.А. Есениным (1927).

В 1928 году переехал в Ленинград. 

В июне 1941 года, когда началась война, Мариенгоф приходил на Ленинградское радио и ежедневно писал баллады (очерки в стихах), тут же звучащие в выпусках «Радиохроники». Вскоре, вместе с Большим драматическим театром, вместе с женой был эвакуирован в город Киров, где прожил около трёх лет. 

В 1953-1956 годах написал ещё одну автобиографическую книгу «Мой век, моя молодость, мои друзья и подруги», где рассказал о детстве и юности, дополнил портрет Есенина. После смерти Мариенгофа была опубликована её сокращённая и приглаженная цензурой версия (под названием «Роман с друзьями»); в полном виде книга вышла только в 1988 году.

Жил в Ленинграде, похоронен на Богословском кладбище.

Память: в Нижегородском районе города Нижнего Новгорода, на доме № 10/в по улице Большая Покровская, где с 1897 по 1913 год он жил, установлена памятная доска.