Marco Beltrami entame ses études de composition musicale très jeune, suit les cours de la Brown University puis se rend en Italie pour se former auprès du maestro italien Luigi Nono à Venise. Il obtient ensuite une bourse pour étudier à la Yale School of Music. En 1992, il vient à Los Angeles étudier auprès du légendaire compositeur Jerry Goldsmith. Tout en apprenant les aspects techniques de la musique de film, il travaille pour le Chicago Civic Orchestra, le Sao Paulo State Orchestra brésilien, ou l'Oakland East Bay Symphony.