Marian Zembala ukończył w 1974 z wyróżnieniem studia na Wydziale Lekarskim Akademii Medycznej we Wrocławiu. Od 1975 do 1981 był asystentem i starszym asystentem w Klinice Chirurgii Serca tej uczelni. Po uzyskaniu stopnia doktora nauk medycznych objął stanowisko adiunkta. Przez kilka lat przebywał na stażu naukowym w Holandii. W 1985 podjął pracę w utworzonej wówczas Katedrze i Klinice Śląskiej Akademii Medycznej w Zabrzu (pod kierownictwem profesora Zbigniewa Religi).

W roku 1988 odbył kolejny staż naukowy w Deborah Heart und Lung Center w Nowym Yorku. Asystował przy pierwszych operacjach transplantacji serca w Polsce oraz zabiegu wszczepienia sztucznego serca człowiekowi. W roku 1988 uzyskał specjalizację z zakresu kardiochirurgii. W roku 1989 wraz z dr med.Andrzejem Bochenkiem uruchamiał ośrodek kardiochirurgiczny w Katowicach-Ochojcu.

W 1990 roku odbył kolejny staż naukowy w Klinice Kardiochirurgii Uniwersytetu RWTH Aachen w Niemczech. W roku 1990 powrócił do Kliniki Kardiochirurgii Śl.A.M. w Zabrzu, gdzie zajął się programem transplantacji serca i płuc. W 1991 habilitował się na podstawie rozprawy zatytułowanej „Chirurgiczna reperfuzja mięśnia sercowego w świeżym zawale”. 

W 1993 został dyrektorem Śląskiego Centrum Chorób Serca w Zabrzu, w 1997 został członkiem Krajowej Rady Transplantacyjnej, a w latach 1997–1999 był prezesem Polskiego Towarzystwa Transplantacyjnego.

W 1998 otrzymał tytuł profesora nauk medycznych. Doszedł do stanowiska profesora zwyczajnego Śląskiego Uniwersytetu Medycznego i kierownika Katedry Kardiochirurgii i Transplantologii.

W 1997 jako pierwszy w Polsce wykonał transplantację pojedynczego płuca. W 2010 powołany na członka państwowej komisji egzaminacyjnej w dziedzinie transplantologii klinicznej. W 2011 został przewodniczącym Rady Naukowej przy Ministrze Zdrowia. Również w 2011 został powołany na Przewodniczącego Państwowej Komisji Egzaminacyjnej w dziedzinie kardiochirurgii. 

Profesor Marian Zembala jest autorem ponad 130 prac naukowych publikowanych w czasopismach i książkach medycznych.

W 2014 z ramienia Platformy Obywatelskiej uzyskał mandat radnego sejmiku śląskiego V kadencji.

Prof. Marian Zembala zastąpi na stanowisku ministra zdrowia odchodzącego Bartosza Arłukowicza, który pełnił funkcję ministra zdrowia od 18 listopada 2011 roku w rządzie Donalda Tuska. 22 września 2014 po raz drugi objął to stanowisko, wchodząc w skład rządu Ewy Kopacz. 10 kwietnia 2015 roku złożył dymisję - oficjalnie w związku z tzw. aferą podsłuchową.