W połowie lat 80. został trenerem klubu, którego był wychowankiem – CA Newell’s Old Boys. Dwukrotnie zdobył z nim mistrzostwo Argentyny oraz tyle samo razy grał w finale Copa Libertadores. Po przygodzie z ligą meksykańską (Atlas FC i Club América), powrócił do Argentyny i wraz z CA Vélez Sarsfield po raz trzeci w swojej karierze triumfował w rozgrywkach o mistrzostwo kraju.
Argentyńczycy z łatwością przeszli przez eliminacje do Mundialu 2002 (13 zwycięstw, 4 remisy, 1 porażka) i z pierwszego miejsca w grupie awansowali do turnieju. Jednak niespodziewanie drużyna zaliczana do głównych pretendentów do zdobycia Pucharu Świata, w której barwach grali wówczas piłkarze należący do światowej czołówki (Roberto Ayala, Walter Samuel, Diego Simeone, Juan Sebastian Veron, Javier Zanetti, Hernán Crespo) odpadła już po fazie grupowej (1–0 z reprezentacją Nigerii, 0–1 z reprezentacją Anglii i 1–1 z reprezentacją Szwecji). Marcelo Bielsie zarzucano to, że zbytnio zaufał zawodnikom o uznanych nazwiskach, przede wszystkim mającemu najlepsze piłkarskie chwile za sobą Gabrielowi Batistucie. Dziennikarze dziwili się, że w kadrze znalazł się 35-letni Claudio Caniggia, który zakończył reprezentacyjną karierę kilka lat wcześniej, a zabrakło w niej miejsca dla młodych Juana Romána Riquelme i Javiera Savioli z FC Barcelona. Po turnieju selekcjoner złożył dymisję, ale nie została ona przyjęta.
Zrezygnował dwa lata później zaraz po Igrzyskach Olimpijskich, na których prowadzona przez niego reprezentacja zdobyła złoty medal. Kilka miesięcy wcześniej doprowadził Argentynę do wicemistrzostwa Ameryki Południowej. Kiedy odchodził powiedział:
Sześć lat pracy z reprezentacją to wysiłek psychiczny porównywalny z dwudziestoma latami spędzonymi w klubie[1].
Na początku sezonu 2014/2015 został ogłoszony nowym trenerem występującego w Ligue 1Olympique Marsylia. Z francuskim klubem wywalczył 4. miejsce w lidze. 9 sierpnia2015 po przegranym 0–1 meczu towarzyskim z SM Caen zrezygnował z posady trenera w Marsylii[3].
15 czerwca 2018 roku został ogłoszony nowym szkoleniowcem Leeds United FC[4]. Wydarzenia z jego udziałem odbiły się szerokim echem, gdy wiosną 2019 w trakcie meczu przeciwko Aston Villa FC Marcelo Bielsa nakazał swoim piłkarzom oddanie gola przeciwnikom, po tym jak chwilę wcześniej jego drużyna zdobyła tzw. „brudnego gola” (strzelcem gola był Mateusz Klich) w czasie gdy jeden z zawodników gości leżał kontuzjowany na murawie. Ów gest fair play docenił m.in. Arsène Wenger[5]. W lipcu 2020 roku wywalczył z Pawiami powrót do Premier League, po szesnastu latach gry w niższych ligach[6].