Né en février 1949 à Québec, au Canada. Études primaires et secondaires à Québec et à Saint-Jean-sur-Richelieu, au Québec, ainsi qu'à Londres, en Angleterre. Baccalauréat en génie physique au Collège militaire royal de Kingston, en 1970, et doctorat en génie électrique à l'Imperial College of Science and Technology à Londres, en Angleterre, en 1973. Au cours des années 1982 et 1983, M. Garneau fréquente le Collège d'état-major et de commandement des Forces canadiennes à Toronto.

De 1974 à 1976, Marc Garneau assume les fonctions d'ingénieur des systèmes de combat sur le Navire canadien de Sa Majesté Algonquin, puis devient instructeur des systèmes d'armes navales à l'École de la flotte des Forces canadiennes à Halifax de 1976 à 1977. Au cours de cette période, il conçoit un simulateur permettant aux officiers préposés aux armes de s'entraîner à l'utilisation de missiles à bord de contre-torpilleurs de la classe Tribal. De 1977 à 1980, il est ingénieur de projets pour les systèmes d'armes navales à Ottawa. Il retourne ensuite à l'Unité de génie naval d'Halifax, qui est chargée d'effectuer les essais et les ajustements nécessaires sur les équipements de bord des navires. Pendant son séjour, il collabore à la mise au point d'une cible remorquée par avion servant à évaluer la précision du tir de l'artillerie navale. Il est étudiant au Collège d'état-major lorsqu'il est promu au grade de commandant en 1982. L'année suivante, il est muté à Ottawa, où il devient responsable de la conception d'équipements et de systèmes électroniques de guerre et de communications navales. En janvier 1986, il est promu au grade de capitaine, et il se retire de la Marine canadienne en 1989.

Il fait partie du groupe des six astronautes canadiens choisis au mois de décembre 1983. En 1984, il est détaché par le ministère de la Défense nationale pour suivre son entraînement d'astronaute dans le cadre du Programme des astronautes canadiens. Il devient le premier astronaute canadien à aller