Po raz pierwszy zagrał na Mistrzostwach Świata w 1999 roku. W rozgrywanym w Norwegii turnieju zagrał w siedmiu spotkaniach zdobywając jedną bramkę (w meczu półfinałowym) oraz dwie asysty (w fazie grupowej oraz w meczu o trzecie miejsce). Ostatecznie zespół Kanady zajął czwarte miejsce na tym czempionacie.
Kolejne starty na mistrzostwach świata zawodnik odbywał co dwa lata. W 2001 roku rozegrał siedem spotkań. Jednakże tym razem odpadł w ćwierćfinale przegrywając z Amerykanami. Zawodnik otworzył wynik tego spotkania. Ostatecznie Kanada przegrała to spotkanie po dogrywce.
Kolejne dwa starty na mistrzostwach zakończyły się zdobyciem medali. W 2003 roku podczas turnieju w Finlandii Marleau zdobył jedynie cztery punkty do klasyfikacji kanadyjskiej, wszystkie po asystach w tym dwie podczas półfinałowego spotkania z Czechami. Kanada w finale pokonała Szwecję po dogrywce, dzięki czemu Marleau zdobył swój pierwszy i jak dotąd jedyny złoty krążek mistrzostw świata. Dwa lata później zdobył srebrny medal przegrywając w finałowym spotkaniu z Czechami. Był to jak dotychczas ostatni start na mistrzostwach świata tego zawodnika.