Nach dem Studium der Naturwissenschaften und der Theologie am Jesuiten-Kolleg zu La Flêche wechselte M. 1609 nach Paris, wo er am Kolleg Royale und an der Sorbonne weitere zwei Jahre Theologie studierte. 1611 trat er in den Orden der Minimen (Paulaner) ein, im Jahr darauf erhielt er die Priesterweihen. Ab 1614 lehrte er im Minimenkloster S. François de Paule bei Nevers Philosophie und Theologie. Nachdem ihn sein Orden 1619 nach Paris zurückgerufen hatte, lebte er im dortigen Konvent und widmete sich seinen Studien. 1628 bis 1630 unternahm er mehrere Reisen durch Mitteleuropa, seine letzten Lebensjahre ab 1640 verbrachte er überwiegend in Italien. M. zählt zu den großen Universalgelehrten, er korrespondierte mit den führenden Köpfen seiner Zeit wie Descartes, Galilei, Hobbes, Blaise Pascal und pflegte zu einigen auch enge persönliche Beziehungen. Mersenne verteidigte aktiv Galileo und Descartes gegen Angriffe von der Kirche. Für die Physik waren seine Forschungen zur Akustik wegweisend, für die Musikwissenschaft stellen insbesondere seine Veröffentlichungen zur Instrumentenkunde eine Fundgrube dar.
Das Werk M.s, dessen höchstes Ziel es blieb, die Existenz Gottes zu erkennen, steht am Übergang von der Scholastik zur mechanistischen Naturwissenschaft. Marin Mersenne forschte Hauptzahlen nach und er versuchte, eine Formel zu finden, die alle Hauptzahlen darstellen würde. Die größte bekannte höchste Vollkommenheit ist normalerweise eine mersennehöchste Vollkommenheit.