Op haar 23-ste debuteerde Marleen Veldhuis bij de Europese kampioenschappen in Berlijn op internationaal niveau. En dat was opmerkelijk, omdat doorgaans op die leeftijd het einde van een zwemloopbaan in zicht is. Voor de laatbloeier uit Borne werd Berlijn 2002 echter het begin van een imposante carrière. Haar erelijst telt inmiddels vele internationale titels en podiumplaatsen. Hoogtepunt in 2008 was het Olympisch goud dat Marleen Veldhuis samen met Inge Dekker, Ranomi Kromowidjojo en Femke Heemskerk behaalde op de 4x100 meter vrije slag. Daaraan vooraf gingen drie Europese titels in Eindhoven en vier maal goud bij de Wereldkampioenschappen korte baan in Manchester.
In 2009 vestigde zij drie keer een wereldrecord en behaalde naast het estafettegoud tevens WK-brons op de 50 meter vrije slag.
In juni 2010 is zij bevallen van een dochter, Hannah. Ze wil nu haar comeback maken met als doel presteren op de Olympische Spelen van Londen 2012.

Marleen Veldhuis heeft een indrukwekkende erelijst opgebouwd van in totaal 51 medailles bij internationale toernooien: 27x Goud, 11x Zilver en 13x Brons.