Anfang 2012 ging Marciello für M2 Competition in der Toyota Racing Series, der höchsten Monoposto-Serie Neuseelands, an den Start.<ref>“Record numbers for 2012 Toyota Racing Series” (stuff.co.nz am 12. Dezember 2011)</ref> Er gewann ein Rennen und schloss die Gesamtwertung auf dem neunten Platz ab. Anschließend wechselte er in die Formel-3-Euroserie, wo er für die Saison 2012 ein Cockpit beim Prema Powerteam erhielt.<ref>“Ferrari protege Raffaele Marciello completes Prema's F3 Euro line-up” (autosport.com am 17. Februar 2012)</ref> Zudem war er 2012 in der europäischen Formel-3-Meisterschaft, zu der unter anderem einige Formel-3-Euroserie-Rennen zählten, wertungsberechtigt. Während sein Teamkollege Daniel Juncadella beide Meisterschaften gewann, wurde Marciello mit sieben Siegen Gesamtdritter der Formel-3-Euroserie. In der europäischen Formel-3-Meisterschaft wurde er Zweiter mit 228,5 zu 252 Punkten hinter Juncadella. 2013 blieb Marciello beim Prema Powerteam in der europäischen Formel-3-Meisterschaft.<ref>Robert Seiwert: „Formel 3 EM - Meister-Team Prema behält Marciello“. Motorsport-Magazin.com, 22. Januar 2013, abgerufen am 3. März 2013.</ref> Marciello entschied 13 der 30 Rennen für sich und erzielte insgesamt 21 Podest-Platzierungen. Auf dem Nürburgring gewann er alle drei Rennen von der Pole-Position startend und fuhr nur in einem Rennen nicht die schnellste Rennrunde. Marciello entschied die Meisterschaft im Duell mit Felix Rosenqvist mit 489,5 zu 457 Punkten für sich.
Anfang 2014 startete Marciello in der Florida Winter Series. Zwei zweite Plätze waren seine besten Ergebnisse. Anschließend wechselte Marciello zu Racing Engineering in die GP2-Serie2014.<ref>Peter Allen: “Racing Engineering confirms Marciello as first 2014 driver”. paddockscout.com, 18. Februar 2014, abgerufen am 18. Februar 2014 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Zwei dritte Plätze in Spielberg waren seine ersten Punkteplatzierungen. Im Hauptrennen in Spa-Francorchamps gelang ihm im Regen ein Sieg. Dabei setzte er sich im Duell gegen Stoffel Vandoorne durch. Insgesamt stand Marciello viermal auf dem Podium. Mit 74 zu 136 Punkten unterlag er intern Stefano Coletti und wurde Gesamtachter. Darüber hinaus absolvierte er eine Formel-1-Testfahrt für Ferrari. 2015 wechselte Marciello innerhalb der GP2-Serie zu Trident.<ref>Christian Menath: GP2 - Marciello startet für Trident. Italienische Formel-1-Hoffnung. Motorsport-Magazin.com, 23. Januar 2015, abgerufen am 23. Januar 2015.</ref> Drei zweite Plätze waren seine besten Resultate und er verbesserte sich auf den siebten Gesamtrang. Er hatte in dem Jahr wechselnde Teamkollegen, die er mit 110 zu einem Punkten intern deutlich schlug. Darüber hinaus fungierte Marciello 2015 als Test- und Ersatzfahrer des Formel-1-Teams Sauber.<ref>Heiko Stritzke: „Formel 1 - Marciello wird dritter Mann bei Sauber“. Mit Leistung überzeugt. Motorsport-Magazin.com, 31. Dezember 2014, abgerufen am 31. Dezember 2014.</ref> Zum Jahresende beendete Ferrari seine Förderung. 2016 absolvierte Marciello seine dritte GP2-Saison für das von Virtuosi Racing UK betreute Team Russian Time.<ref>Peter Allen: Marciello joins Markelov at Russian Time for 2016. paddockscout.com, 18. Januar 2016, abgerufen am 18. Januar 2016 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> Er gewann zwar kein Rennen, allerdings verbesserte er sich als bester siegloser Fahrer auf den vierten Platz der Fahrerwertung.
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