Marcelina era hermana de san Ambrosio de Milán. Nació antes que San Ambrosio, probablemente en Tréveris, donde su padre era prefecto de los galos. Marcelina se trasladó a Roma con su familia y, desde muy temparana edad, empezó a concentrarse exclusivamente en el fin para el que había sido creada. Se encargó del cuidado de sus dos hermanos y, con sus palabras y ejemplo, les inspiró el amor a la virtud verdadera, no simplemente de la apariencia de virtud. Marcelina tenía por única mira la gloria de Dios. Para conseguir su objetivo, decidió renunciar al mundo. El día de la Epifanía del año 353, recibió el velo de las vírgenes de manos del papa Liberio, en la basílica de San Pedro. En el discurso que pronunció el Pontífice en esa ocasión, exhortó a Marcelina a amar exclusivamente a Jesucristo, a vivir en continuo recogimiento y mortificación y a conducirse en la iglesia con el más grande respeto y modestia.
San Ambrosio, a quien debemos los ecos de esa exhortación, no vacila en criticar la elocuencia del papa Liberio cuando la juzga insuficiente. El santo dedicó a su hermana su tratado sobre la excelencia de la virginidad. Siendo ya obispo, Marcelina le visitó varias veces en Milán y habló con él sobre la vida espiritual; en esa forma, ayudó a su hermano en sus relaciones con las vírgenes consagradas.
Marcelina practicó la más alta perfección. Ayunaba diariamente hasta el atardecer y consagraba la mayor parte del día y de la noche a la oración y la lectura espiritual. En los últimos años de su vida, san Ambrosio le aconsejó que moderase sus penitencias y aumentase el tiempo de oración; en particular, le recomendó los Salmos, la Oración del Señor y el Credo, al que llamó «sello del cristiano y guardián del corazón». Marcelina siguió viviendo en Roma después de la muerte de su madre, no en comunidad, sino en una casa privada, junto con otra mujer que participaba en todos sus ejercicios de devoción. Marcelina sobrevivió a su hermano, pero no sabemos exactamente en qué año murió. En la oración fúnebre pronunciada por San Ambrosio en memoria de su hermano Sátiro, llamó a Marcelina «... santa hermana, admirable por su inocencia, su rectitud y su bondad con el prójimo».
En Acta Sanctorum, julio, vol. IV, se citan ciertos pasajes de san Ambrosio y un panegírico latino que se conservó gracias a Mombritius.