Odbył jedną z najsłynniejszych podróży w dziejach nauk o Ziemi. Jego ojciec Niccolo i stryj Matteo (kupcy weneccy) już 1260–69 podróżowali (drogą lądową) w celach handlowych do Chin, przywożąc dodatkowo listy od chana do papieża.

W 1271 Polowie wyprawili się ponownie do Chin w celach kupieckich i z misją od papieża Grzegorza X do wielkiego chana Mongołów, tym razem zabierając ze sobą 17-letniego wówczas Marco; podróżował 24 lata; przez Azję Mniejszą, Persję, Afganistan i Pamir Polowie przedostali się do Kaszgarii, skąd Jedwabnym Szlakiem zawędrowali do prowincji Gansu w północnych Chinach. Po odwiedzeniu Karakorum udali się przez Gobi do Chanbałyku, gdzie przybyli 1275. W Chinach przeżyli 17 lat, zajmując się handlem lub pracując w służbie Kubilaja. Marco, jego szczególny ulubieniec, był obdarzany różnymi urzędami i dostojeństwami. Pełniąc rozmaite funkcje, miał okazję zwiedzić cały kraj, docierając także do Birmy. Przez 3 lata był zarządcą miasta Jandżu (Yangzhou) w prowincji Jiangsu we wschodnich Chinach. W 1292, otrzymawszy od chana zezwolenie na wyjazd oraz zadanie zawiezienia mongolskiej księżniczki perskiemu księciu, Polowie udali się w drogę powrotną. Żeglowali wzdłuż wybrzeży południowych Chin, Półwyspu Indochińskiego i Sumatry, następnie przez Cejlon, wzdłuż Wybrzeża Malabarskiego w Indiach aż do wybrzeży Persji, gdzie 1294 zastała ich wieść o śmierci Kubilaja. Z Ormuzu drogą lądową przez Persję i Armenię dotarli do Trabzonu (Trapezunt), skąd statkiem przez Konstantynopol dopłynęli 1295 do Wenecji, przywożąc zaszyte w chałatach podróżniczych klejnoty. Trzy lata po powrocie Polo został pojmany przez Genueńczyków w potyczce morskiej. W niewoli podyktował 1298–99 współwięźniowi Rusticellowi (Rusticianus) z Pizy swoje wspomnienia, w których zawarł nie tylko własne obserwacje z podróży i pobytu w Chinach, ale także wiadomości o zasłyszanych krajach, m.in. o nieznanej zupełnie Japonii (Zipang), Madagaskarze i Etiopii. Jego informacje wzbudziły w ówczesnej Europie niezwykłe zainteresowanie, jednak bogactwo opisywanych przez niego faktów i nowość omawianych zjawisk jeszcze długo wzbudzały wątpliwości co do ich autentyczności. Wielu uznawało jego relację za całkowicie wymyśloną i fantastyczną; mimo to należy ona do najcenniejszych, obok sprawozdania W. Rubruka, średniowiecznych źródeł wiedzy o wschodniej i południowej Azji, przewyższając mnogością spostrzeżeń wcześniejsze relacje Benedykta Polaka i G. da Pian del Carpinego. Opis ten odgrywał przez kilkaset lat rolę ważnego źródła informacji o dalekich krajach Azji. Sprawozdanie Polo znalazło odbicie w średniowiecznej kartografii, wyparło nazewnictwo geografii antycznej i aż do czasów K. Kolumba było podstawą geografii i kartografii krajów Wschodu, istotnie wpłynęło też na zainteresowanie się tymi krajami. Opisy Polo zachęciły do dalekich wypraw zamorskich wielu żeglarzy, m.in. Kolumba i V. da Gamę. Dzieło, już w średniowieczu, było wielokrotnie przepisywane i przekładane, a od XV w. jest wydawane drukiem w różnych językach i pod różnymi tytułami. W języku polskim zostało wydane z rękopisu starofrancuskiego w przekładzie A.L. Czerny pt. Opisanie świata (1954, wydanie 3 1993). Imieniem podróżnika nazwano m.in. pasmo górskie Bokalyk-tag w górach Kunlun.