David Marrero gelang sein erster Future-Turniersieg im April 2003 in Chile. Auf dem Weg zum Sieg konnte er unter anderem die späteren Top-100-Spieler Diego Junqueira und Paul Capdeville bezwingen. 2008 gelang es ihm erstmals bei einem Challengerturnier das Finale zu erreichen. Abermals in Chile (La Serena) schaffte er die Qualifikation und musste sich erst im Finale Rubén Ramírez Hidalgo geschlagen geben. Bei den French Open 2008 erreichte er vier Monate später nach überstandener Qualifikation die zweite Runde.
2009 gelang ihm beim Challengerturnier in Monza der erste und bislang einzige Sieg auf dieser Turnierebene im Einzel. Erfolgreicher verlief seine Karriere im Doppel. 13 Challengerturniere konnte er mit 11 unterschiedlichen Doppelpartnern zwischen 2005 und 2010 gewinnen (unter anderem mit Albert Portas und Pablo Cuevas). 2010 schaffte er mit einem Sieg im Doppel beim Challengerturnier in Saint-Brieuc den Sprung unter die Top 100.
Mit Doppelpartner Marc López konnte Marrero in der Saison 2010 seine ersten beiden ATP-Turniere in Estoril und Hamburg gewinnen. 2011 blieb ihm ein Turniersieg verwehrt, obwohl er in insgesamt vier Finals stand. In der Saison 2012 gewann er mit seinem Landsmann Fernando Verdasco vier Titel in Buenos Aires, Acapulco, Umag und Hamburg. Darüber hinaus stand er noch in den Finals von Estoril und Valencia. In der Saison 2013 verteidigte er die Titel von Acapulco und Umag, diesmal an der Seite von Łukasz Kubot bzw. Martin Kližan. Mit Fernando Verdasco gewann er zudem in St. Petersburg.
2014 wurde David Marrero erstmals für die spanische Davis-Cup-Mannschaft nominiert. Er gab sein Debüt in der ersten Runde gegen Deutschland.
Seine jüngere Schwester Marta Marrero war ebenfalls als Tennisprofi aktiv.
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