Marco Armiliato studierte Klavier am Paganini-Konservatorium seiner Heimatstadt Genua. Seit seinem Debüt mit La bohème an der San Francisco Opera und seiner Zusammenarbeit mit Luciano Pavarotti ist er ständiger Gast an den namhaften Opernhäusern der Welt. 1995 gab er seine Debüts am Teatro La Fenice in Venedig (Il barbiere di Siviglia) und an der Wiener Staatsoper (Andrea Chénier). Eine enge Zusammenarbeit verbindet ihn mit der Metropolitan Opera in New York, wo er seit seinem Debüt 1998 schon über 360 Aufführungen geleitet hat, darunter Il trovatore, La bohème, Stiffelio, Madama Butterfly, Sly, Aida, Turandot, Rigoletto, Cyrano de Bergerac, La Fille du Régiment, La rondine und Lucia di Lammermoor. In San Francisco dirigierte er La bohème, Madama Butterfly, Turandot, La traviata, Tosca, Aida, La favorita, Il trovatore und Cavalleria rusticana. Ausserdem dirigierte er an der Wiener Staatsoper, in Covent Garden, an der Bayerischen Staatsoper, in der Arena di Verona, an der Pariser Opéra, am Liceu in Barcelona, an der Deutschen Oper Berlin und leitete Sinfoniekonzerte in Europa, den USA und Japan. Am Opernhaus Zürich dirigierte er in der Saison 2012/13 Tosca sowie 2013/14 die Neuproduktion La fanciulla del West. Zuletzt leitete er hier in der Spielzeit 2014/15 die Neuproduktion von La traviata. In der Spielzeit 2015/16 dirigierte er u.a. Anna Bolena und Il trovatore an der Metropolitan Opera; eine Neuproduktion von Faust an der Deutschen Oper in Berlin; Tosca, Andrea Chénier, L’elisir d'amore, Don Carlo, I puritani, La traviata, La bohème, Roméo et Juliette, Il barbiere di Siviglia, Simon Boccanegra, Manon Lescaut, Don Pasquale, Turandot und Aida an der Wiener Staatsoper; Lucia di Lammermoor am Liceu in Barcelona; La traviata beim Münchner Opernfestival. Marco Armiliato dirigierte ein Galakonzert mit Angela Gheorghiu und Juan Diego Flórez 2016 beim Salzburg Whitsun Festival. An den Salzburger Festspielen 2016 dirigierte er Manon Lescaut mit Anna Netrebko in der Hauptrolle. Kürzlich kehrte er mit Aida, Manon Lescaut und La bohème an die Metropolitan Opera zurück.
Für die Einspielung Verismo Arias mit Renée Fleming, Jonas Kaufmann und dem Orchestra Sinfonica di Milano «Giuseppe Verdi» wurde Marco Armiliato mit dem Grammy Award ausgezeichnet. In der Spielzeit 2016/17 leitete er bereits die Aufführungen von La bohème, Aida und Manon Lescaut an der Metropolitan Opera sowie Turandot, Aida, La fanciulla del West, L’elisir d’amore, Il trovatore und Otello an der Wiener Staatsoper. Auch in den kommenden Spielzeiten wird er regelmässig für grosse Produktionen an die Metropolitan Opera New York zurückkehren.