Agustín Marchesín iniciou a carreira profissional em 2006 no Lanús, da Argentina. O goleiro defendeu o clube durante nove anos, e fez mais de 200 jogos, além de ter conquistado um título da Copa Sul-Americana junto a equipe.
Em 2015, o Marchesín foi rumo ao futebol mexicano. Contratado pelo Santos Laguna, o jogador atuou por apenas uma temporada. Contudo, conquistou um Campeonato Mexicano e um título de Campeão dos Campeões junto ao clube. Ao fim do ano, foi vendido ao América, também do México, e foi lá que o goleiro conquistou a torcida.
Ídolo no América, Agustín Marchesín ficou conhecido como um dos maiores goleiros na história do clube. Defendeu o time durante três anos e entrou em campo em 130 oportunidades. Além disso, também levantou uma taça do Campeonato Mexicano ao lado do time.
Em 2019, Marchesín foi contratado pelo Porto, de Portugal. Ele participou de 94 jogos durante quatro anos. Pelo Porto, venceu dois Campeonatos Portugueses, duas Taças de Portugal e uma Supertaça Cândido de Oliveira.
Entretanto, Agustín Marchesín começou a perder espaço no Porto com a chegada de Diogo Costa e, com isso, deixou a equipe portuguesa e foi comprado pelo Celta de Vigo, da Espanha, o último clube pelo qual passou. O goleiro atuou em apenas 94 jogos, durante uma temporada.
Pela seleção argentina, Marchesín estreou em 2011, em amistoso contra a Venezuela, participou da Copa América de 2015 e 2019, e conquistou o título da edição de 2021.
