Pada tanggal 11 Januari 2009, Marilungo melakukan debutnya bersama tim utama Sampdoria dalam pertandingan kandang Serie A melawan Palermo. Namun, pertandingan tersebut berakhir dengan kekalahan 2-0 bagi klub Genoa tersebut. Tiga bulan kemudian, tepatnya pada tanggal 26 April 2009, ia membuat penampilan pertamanya sebagai pemain inti dalam pertandingan imbang 3-3 melawan Cagliari. Marilungo mencetak dua gol dalam pertandingan tersebut, yang merupakan gol pertamanya dalam karir profesionalnya. Pada tanggal 27 Agustus 2009, Marilungo bergabung dengan tim Serie B, Lecce, dalam status pinjaman selama satu tahun. Pada tanggal 12 September 2010, ia menandatangani kontrak lima tahun dengan Sampdoria, tetapi hanya empat bulan kemudian, ia pindah ke Atalanta dengan kontrak 4+1/2 tahun senilai €4,7 juta. Pada akhir musim 2010-2011, Sampdoria terdegradasi, sementara Atalanta promosi ke Serie A pada saat yang sama.
Pada tahun 2013, Marilungo menandatangani kontrak baru dengan Atalanta. Pada tanggal 17 Januari 2014, ia pindah ke klub Serie B, Cesena. Pada tanggal 28 Agustus 2015, Marilungo kembali meninggalkan Bergamo untuk bergabung dengan Lanciano. Ia kemudian pindah ke Empoli pada tanggal 26 Agustus 2016. Pada musim ketiga berturut-turut, Marilungo dipinjamkan ke Spezia pada tanggal 31 Agustus 2017. Pada tanggal 18 September 2018, ia bergabung dengan klub Serie C, Ternana, dengan kontrak selama dua tahun. Pada tanggal 3 Oktober 2020, ia dipinjamkan ke Monopoli. Pada tanggal 13 Januari 2021, ia dipinjamkan ke Carrarese. Pada tanggal 4 Agustus 2021, ia bergabung dengan Pescara dengan status pinjaman. Pada tanggal 28 Januari 2022, ia pindah ke Pro Sesto dengan status pinjaman baru. Pada tanggal 13 Juli 2022, Marilungo dipinjamkan oleh Recanatese.
Di level internasional, pada tanggal 8 September 2009, Marilungo melakukan debutnya bersama timnas Italia U-21 dalam pertandingan melawan Luxembourg. Ia mencetak 1 gol dalam 6 penampilannya bersama tim U-21 Italia.
Marilungo adalah seorang pemain yang kreatif dan serba bisa. Ia memulai karirnya sebagai gelandang serang, tetapi mampu bermain di beberapa posisi serangan, baik sebagai penyerang utama, penyerang kedua, atau winger, berkat kemampuannya dalam mencetak dan memberikan assist gol. Ia dikenal karena kecepatan, teknik, kemampuan tendangan keras menggunakan kaki kanannya, dan insting mencetak gol. Pada tahun 2010, ia masuk dalam daftar 100 pemain muda terbaik di dunia yang lahir setelah tahun 1989 versi Don Balón."
Follow