Nella passe son enfance en Toscane puis s’installe à Turin avec sa famille. Très douée, elle apprend le pianoforte, le dessin et l’aquarelle. Après le guerre, elle forme, avec Felice Casorati, le noyau de la future Ecole de Casorati. En 1930, elle épouse le peintre Ulgo Malvano. Les lois racistes affectent son mari et le couple s’isole ; Marchesini consacre alors beaucoup de temps à l’écriture. Peintre renommée, elle élabore un style qui est le fruit de l’influence de Casorati, admirateur de la Sécession viennoise, et surtout de Klimt, de son intérêt prononcé pour les éléments décoratifs et de l’appropriation des fondements de la peinture de Piero della Francesca. Portraits, scènes de genre et natures mortes s’expriment dans un nouveau langage moderne et affichent des couleurs douces, souvent claires. Peu à peu son style devient plus dramatique, puis le dessin s’efface imperceptiblement derrière l’expressivité chromatique.
Dès 1921, Marchesini expose et elle est invitée, à quatre reprises, à la Biennale de Venise. Turin lui consacre une grande rétrospective en 2006.