Dezessete anos depois, Marcelo vai a campo com a camisa do Fluminense. Anunciado como reforço do clube carioca após deixar o Olympiakos, da Grécia, o lateral esquerdo faz sua estreia na volta do Tricolor diante do Sporting Cristal contra o Sporting Cristal, como titular, na estreia do time na Copa Libertadores 2023.
Com a chegada confirmada no final de fevereiro, o veterano passou por um período de readaptação nas últimas semanas até ser relacionado pela primeira vez. Ele integrou o banco de reservas do Flu na derrota por 2 a 0 para o Flamengo, no jogo de ida da final do Campeonato Carioca, mas não acabou sendo utilizado pelo técnico Fernando Diniz.
O atleta foi revelado no clube carioca, atuando por duas temporadas na equipe principal, antes de ser vendido para o Real Madrid. A apresentação de Marcelo aconteceu no estádio do Maracanã, para mais de 30 mil pessoas e repercutiu na imprensa mundial.
Em sua primeira passagem pela equipe tricolor, o lateral atuou em 50 jogos, com dez gols marcados. Em seu retorno ao Fluminense, Marcelo assina um acordo válido até dezembro de 2024, com opção de renovação até o fim de 2025.