Marianne Thorsen har også en variert musikertilværelse som utøver. Som solist har hun spilt med de norske orkestrene, og blant andre BBC Symphony, Philharmonia, City of Birmingham, Stockholm-filharmonien og Orchestre de la Suisse Romande. Sammen med TrondheimSolistene har hun spilt inn Mozarts fiolinkonserter nr. 3-5 for 2L - en innspilling som vant Spellemann i 2006. En annen 2L-innspilling med Trondheim Symfoniorkester av Ståle Kleibergs fiolinkonsert, som er tilegnet henne, ble nominert til amerikansk Grammy i 2010. Hun har også urfremført Ketil Hvoslefs fiolinkonsert med Vassily Sinaisky og Oslo-filharmonien.
Marianne er en ivrig kammermusiker, og har samarbeidet med blant andre Leif Ove Andsnes, Marc-André Hamelin, Truls Mørk, Paul Lewis, Pascal Rogé, Lars Anders Tomter og Håvard Gimse ved kammermusikkfestivalene i Oslo, Bergen, Trondheim og Stavanger. Hun har opptrådt ved BBC Proms i London og på Edinburgh, Bath og Cheltenham festivalene (for BBC Radio 3) i Storbritannia. Hun var spillende leder av Nash Ensemble of London fra 2000-2015 og Leopold String Trio fra 1991-2006, med en omfattende turnevirksomhet i Europa, Australia og USA, og medvirket på mange innspillinger for Hyperion Records i London. Fra 2009-2013 var hun kunstnerisk leder ved Vinterfestspill på Røros. Marianne spiller på en fiolin av Giovanni Battista Guadagnini, generøst stilt til disposisjon av Dextra Musica.
