Als Sohn eines Jagdfliegerveteranen und späteren Generalmajors der Luftwaffe in Berlin geboren, begeisterte sich Marseille bereits in seiner Jugend für Flugzeuge. So wunderte es niemanden, dass er im Jahre 1938 freiwillig in die Luftwaffe eintrat. Obwohl der junge Mann bereits während seiner Ausbildung in Wien-Schwechat erstaunliche fliegerische Fähigkeiten bewies, war er nicht zum Soldaten geboren. Wenig an Disziplin und Respekt gegenüber Vorgesetzten interessiert, wurde er wiederholt wegen verbotenen Kunstflugs und diverser Verstöße verwarnt. So als sich Marseille mit einigen Piloten einmal auf einem Übungsflug nahe Braunschweig befand und plötzlich einen unangenehmen Drang verspürte. Da landete der freche Fähnrich einfach auf einer nahen Schnellstraße, erleichterte sich hinter einem Baum und flog dann weiter.
Die andere Seite seiner Ausbildungszeit waren phänomenale Showeinlagen - so kappte Marseille einmal im Tiefstflug ein an einem nur ein Meter hohen Stock befestigtes Taschentuch mit der Tragfläche seiner Messerschmitt.
Im August 1940 wurde Oberfähnrich Marseille nach einer gründlichen Friedensausbildung ins Lehrgeschwader 2 an die Kanalfront versetzt, wo er seine ersten Feindeinsätze flog. Im Oktober wechselte er in die 4. Staffel des Jagdgeschwaders 52, die zu dieser Zeit unter dem späteren Schwerterträger Steinhoff am Ärmelkanal lag. Während der Luftschlacht um England flog Marseille als Katschmarek und meldete am 24.08.1940 seinen ersten Luftsieg. Als er Frankreich verließ, war er für 7 Abschüsse bereits mit beiden Klassen des Eisernen Kreuzes dekoriert worden.
Zu diesem Zeitpunkt hatte der hitzige Flieger aber auch bereits einen strengen Verweis und insgesamt acht Tage Arrest erhalten.
Anfang Februar 1941 wurde Marseille in die 3. Staffel des Jagdgeschwaders 27 versetzt und mit ihr nach Nordafrika verlegt. Bereits während seines ersten Feindfluges über Libyen konnte der voller Selbstvertrauen strotzende Flieger eine britische Hawker Hurricane abschießen. In den folgenden Wochen erzielte Marseille wiederholt Luftsiege, wobei er sich jedoch den Unmut seines Staffelführers Oberleutnant Homuth zuzog. Grund dafür war neben unmilitärischem Verhalten auch seine ungestüme Angriffsart. Sobald Marseille einen Gegner entdeckte - und aufgrund seiner guten Augen war er stets der erste - verließ er den Verbandsflug und schoss ihn, meist beim ersten Angriff, ab. Obwohl dies keinesfalls den Teamwork-Regeln einer guten Staffel entsprach, erkannte Marseilles Gruppenkommandeur Hauptmann Neumann das unglaubliche Talent des hitzigen Piloten. Im Mai 1941 wurde Marseille zum Leutnant befördert, nachdem er 13 Luftsiege errungen hatte.
Kurz darauf nach schweren Triebwerkstreffern zur Notlandung im Niemandsland gezwungen, erreichte der junge Flieger nach einem längeren Fußmarsch unbeschadet wieder die Stellungen der eigenen Infanterie.
In den nächsten Monaten wirkte Marseille immer besser mit seinen Staffelkameraden zusammen. Obwohl noch immer brennend ehrgeizig, stand er den militärischen Grundregeln nicht mehr so feindlich gegenüber. In den unzähligen Geleitschutz- und Jagdeinsätzen dieser Zeit entwickelte der nun zum Rottenführer ernannte Marseille eine unglaubliche Trefferpräzision, die ihm immer wieder wahre Wunderabschüsse ermöglichte. Sein Rottenflieger und Freund Rainer Pöttgen berichtete, dass er Treffer aus unglaublichen Entfernungen und Winkeln zustande brachte. Außerdem war es außerordentlich schwer, seinen tollkühnen Flugmanövern zu folgen.
Im Februar 1942 war Marseille bei 50 Luftsiegen angelangt, wofür er als erfolgreichster Pilot des Geschwaders das Ritterkreuz erhielt und zum Oberleutnant befördert wurde.
Als Homuth im Mai die Gruppe übernahm, trat Marseille dessen Nachfolge als Kapitän der 3. Staffel an. Aufgrund seiner großartigen Erfolge war er nicht nur bei höchsten Stellen des Afrikakorps, sondern bereits auch in Deutschland bekannt und äußerst beliebt. Ähnlich wie in unserer Zeit ein Filmstar, erhielt er täglich Briefe von weiblichen Fans, sein Bild wurde fast jeden Tag in einer Zeitung abgedruckt. Unter den großen Persönlichkeiten, die Marseilles Staffel besuchten, befanden sich u.a. GFM Kesselring, Erwin Rommel und Jagdfliegergeneral Adolf Galland.
Von März bis August 1942 war Marseille in Hochform. In täglich bis zu vier Einsätzen über der libyschen Wüste erzielte er praktisch in jedem Luftkampf zwischen zwei und fünf Luftsiege. Doch diese Erfolge waren innerhalb der Staffel ebenso "normal" wie sein unglaublich niedriger Munitionsverbrauch - meistens verbrauchte der Oberleutnant pro Abschuss nur 15 bis 20 Schuss seiner Kanonen. Marseille konnte seine Bf 109 F so perfekt handhaben, dass er es sich angeblich sogar erlauben konnte, die genaue Stelle der Treffer zu bestimmen. Meistens lagen die Einschüsse im Motorblock oder in der Pilotenkanzel des Gegners.
Zwischen Marseille und seinem Bodenpersonal herrschte eine absolut lockere und kameradschaftliche Stimmung. Als der erfolgreiche Jagdflieger seinen Mechanikern als Gegenleistung für die stets perfekt gewartete Bf 109 für jeden Abschuss spaßeshalber 50 Lire anbot, entgegneten diese: "Na, lieber nicht - dabei werden Herr Oberleutnant ja ein armer Mann."
Dieser Mann, der täglich ihre besten Piloten bezwang, wurde dem englischen Oberkommando in Afrika allmählich zum Begriff. In einem abgefangenen Funkspruch wurde den britischen Staffelkapitänen sogar befohlen, den jungen Deutschen entweder nur in Gruppen oder gar nicht anzugreifen. Unter jenen Elitepiloten, die gezielt auf Marseille angesetzt wurden, befand sich auch das Fliegerass Clive "Killer" Caldwell, ein australischer Kittyhawk-Pilot, der bereits über ein Dutzend Deutsche abgeschossen hatte. Unter diesen hatte sich auch der erste Eichenlaubträger des JG 27 befunden, Hauptmann Erbo von Kageneck (67 Siege). Später sollte ihm auch Marseilles Freund und erfolgreicher Staffelkamerad Oberleutnant Hans-Arnold Stahlschmidt (59) und der Spanienveteran Wolfgang Lippert (29) zum Opfer fallen. Doch Caldwell traf nie auf Marseille, wurde später vom Schwerterträger Oberleutnant Schröer bezwungen, konnte jedoch in den Kampfeinsatz zurückkehren.
Im Juni 1942 schoss Oberleutnant Marseille einmal sechs Gegner innerhalb von nur elf Minuten ab(!), im selben Monat wurde ihm als zweiten Piloten des JG 27 nach 75 Luftsiegen das 97. Eichenlaub zum Ritterkreuz verliehen.
In den Tagen nach der Verleihung flog Marseille mehrere Abfangeinsätze gegen britische und südafrikanische Staffeln, wobei er wiederholt bis zu sechs Gegner in kürzester Zeit abschießen konnte. Und so meldete das JG 27 am 17.06.42 bereits seinen 100. Luftsieg - Marseille war der erste, der diese magische Marke gegen westalliierte Piloten erreichte.
Die Verleihung der nun fälligen Schwerter fand in Berlin statt - und zwar lediglich 116 Tage nach dem Ritterkreuz. Der junge Oberleutnant war der erst 12. Träger dieser hohen Auszeichnung und davon der bereits 10. Jagdpilot der Luftwaffe.
Marseille war endgültig zum deutschen Nationalhelden geworden, wobei seine Berühmtheit schon fast legendäre Ausmaße annahm. Auf dem Rückweg von Berlin nach Nordafrika meldete er sich bei Benito Mussolini, der ihm für die erfolgreiche Unterstützung der italienischen Luftwaffe die seltene Tapferkeitsmedaille in Gold verlieh - sogar der Wüstenfuchs Erwin Rommel musste sich mit der Silberfassung dieses Ordens begnügen. Nach der Rückkehr zu seiner Staffel musste Marseille feststellen, dass die Luftwaffe in Afrika endgültig in die Defensive gedrängt worden war. 
Zahlenmäßig sechsfach unterlegen, hatten die eigenen Geschwader in dieser Zeit schwere Verluste zu verkraften. Trotz der taktischen Unterlegenheit konnte Marseille bereits am ersten Einsatztag 10(!) Gegner abschießen - doch diese großartige Leistung war immer noch nicht der Gipfel seines Könnens.
Am 1. September 1942 gelang ihm in drei getrennten Einsätzen der bestätigte Abschuss von 17(!!) britischen Jagdmaschinen und damit ein Gesamtergebnis von 121 Siegen. Obgleich diese Leistung durch Hauptmann Emil Lang (EL, 173 Siege) an der Ostfront übertroffen wurde (18 an einem Tag), ist Marseilles Leistung aufgrund der besser ausgebildeten Gegner weit höher einzustufen. 
Als die Staffel nach dieser fulminanten Leistung auf dem Feldflugplatz landete, waren alle von dem Gesehenen wie elektrisiert. Ludwig Franzisket, ein befreundeter Staffelkapitän und selbst Ritterkreuzträger, zeigte sich von Marseilles Angriffen überwältigt und sagte zu seinem Gruppenkommandeur: "Ich vergaß vor Staunen zu schießen, als ich Marseille im feindlichen Pulk beobachtete!"
Am 02.09.42 unterlagen Marseille fünf weitere Gegner.
Für das Erreichen von insgesamt 126 Luftsiegen erhielt Marseille nun als vierter Offizier der Wehrmacht die Brillanten zum Ritterkreuz mit Eichenlaub und Schwertern verliehen. Zwischen seiner Ankunft in Afrika und der Verleihung der höchsten Tapferkeitsmedaille waren nur 19 Monate vergangen. 
Doch noch war der September nicht vorbei - so konnte Oberleutnant Marseille am 3. sechs, am 5. und 6. je vier und am 15. sieben Luftsiege erzielen! Am 24.09.42 wurde er im Alter von erst 22 Jahren zum bisher jüngsten Hauptmann der Luftwaffe befördert, kurz zuvor zum bereits fünften Mal im Wehrmachtsbericht genannt.
Am 26.09.42 bezwang der Staffelkapitän mit 7 britischen Spitfire-Jägern seinen 152. bis 158. Kontrahenten. Der Luftkampf mit seinem letzten Gegner hatte sich ungewöhnlich lange, nämlich 15 unendliche Minuten, hingezogen.
Nach Berichten seiner Kameraden und Freunde begann zu dieser Zeit der Dauereinsatz in Marseilles Wesen Wirkung zu zeigen. Er war oft übermüdet und abgekämpft - es wäre Zeit für eine Frontpause gewesen. Als ihm GFM Rommel persönlich eine solche Ende September anbot, lehnte Marseille jedoch ab - er wollte seine Staffel nicht alleine lassen.
Während der Schlacht um El Alamein flog das JG 27 rollende Jagd- und Abfangeinsätze über Ägypten. Am 30. September führte Marseille seine komplette Staffel, um "Tommys" zu suchen. Der hochdekorierte Hauptmann flog in diesem Einsatz erstmals die neue G-Version der Messerschmitt Bf 109. Während des Rückfluges von dem kampflosen Einsatz meldete ein Pilot plötzlich eine dünne Rauchfahne aus Marseilles Maschine. Nach kurzer Zeit fing der Motor an zu bocken, die Messerschmitt verlor an Höhe. Von seiner Staffel über Funk geleitet, manövrierte Marseille seine immer stärker qualmende Maschine bis über eigenes Gebiet. "Habe Motorschaden, ich steige aus!" rief er über Bordfunk und drehte die Maschine auf den Rücken. Seine Kameraden konnten beobachten, wie er das Kabinendach aufschob und sich aus der Maschine fallen ließ. Doch die Freude über den guten Ausgang der Aktion währte nur eine Sekunde: Marseille prallte gegen das Leitwerk und wurde bewusstlos geschlagen. So hatte er keine Chance mehr, die Reißleine seines Fallschirms zu ziehen.
Die von Hans-Joachim Marseille erzielten 158 bestätigen Luftsiege über britische Piloten wurden bis Kriegsende auch nicht annähernd wieder erreicht (Schwerterträger Bär 124). Der junge, sympathische Jagdflieger starb nach 388 Feindflügen.
Die deutsche Bundesluftwaffe ehrte den herausragenden Flieger und Scharfschützen mit der "Marseille-Kaserne" in Uetersen nahe Hamburg.

Eine nur ganz seltene – da umstrittene Geschichte – soll sich unmittelbar nach Marseilles Schwerterverleihung abgespielt haben. Diese besagt, dass der junge Oberleutnant während seines kurzen Aufenthaltes in Deutschland mit der Tatsache der sgn. Endlösung gegen Juden konfrontiert wurde. Davon erschüttert, hätte sich Marseille nicht auf den Rückweg nach Afrika gemacht, sondern sich fünf Wochen lang in Italien versteckt. Erst als die Gestapo ihn aufstöberte und unter Druck setzte, hätte das Fliegerass sich wieder bereit erklärt, zu seinem Geschwader zurückzukehren.
Obwohl diese Geschichte sehr wage erscheint und wie gesagt nicht belegt ist, wurde sie Ende der Fünfzigerjahre in einem Film über Marseilles Leben eingebaut und seitdem nicht ausdrücklich widerlegt. Es wäre allerdings auch möglich, dass es sich – ähnlich wie beim sgn. “Mölders-Brief” - um eine propagandistische Falschmeldung des britischen Geheimdienstes handelte.