Carl Marstrander var professor i keltiske språk ved Universitetet i Oslo i 40 år og var ved siden av sitt internasjonale ry som keltolog også kjent som runeforsker.
“I det hele velfornøid med opholdet her. Det materialet jeg har samlet vil uten tvil ha betydelig verdi videre når keltisk sprog om en 5–10 år er totalt forsvunnet fra øen,” skrev professor Marstrander i dagboken han førte under sitt første opphold på Isle of Man fra juni til september 1929. Noen husket litt mansk noe lenger enn Marstranders spådom, men den aller siste av disse døde 1974. Da forsvant den siste rest av det talespråket som hadde eksistert på Man siden det en gang kom dit fra Irland på 400-tallet. Språket er nært beslektet med det irske og skotske – begge språk Carl Marstrander allerede som ung student ivret etter å lære seg, i en tid da språkforskere var mer opptatt av døde språk.
Marstrander vokste opp i Kristiansand og tok examen artium ved katedralskolen der 1902. Deretter studerte han klassisk filologi ved universitetet i Kristiania. 1907 fikk han et statsstipend til Irland, og året etter ble han universitetsstipendiat i sammenlignende språkforskning ved universitetet i Kristiania. 1910–13 var han professor i keltisk og sammenlignende språkvitenskap ved School of Irish Learning i Dublin. 1913 opprettet Stortinget et professorat i keltiske språk ved universitetet i Kristiania spesielt for Marstrander. Han innehadde professoratet til han gikk av for aldersgrensen ved utgangen av 1953.
Da Marstrander drog til Irland 1907, var det for en student med studier i klassisk filologi og indoeuropeisk språkvitenskap ikke vanlig å reise ut i felten for å lære seg talespråket. Marstrander drog helt ut til øya Blasket på sørvestkysten av Irland – et sted han skrev begeistret om i Lidt af hvert fra Irland (1909). Han publiserte aldri noe om dialekten på Blasket, men fylte nesten egenhendig bind 5 av det keltologiske tidsskriftet Ériu med artikler om eldre irsk språk og litteratur. I festskriftet til den store tyske keltologen Kuno Meyer publiserte Marstrander en over hundre sider lang studie av to irske eventyr.
Interessen for forbindelsen mellom det gamle norske rike og dets keltiskspråklige kolonier i vest var stor i Norge på begynnelsen av 1900-tallet. Marstrander produserte 1915 en større språklig studie under tittelen Bidrag til det norske sprogs historie i Irland, og senere flere artikler om Torsdyrkelse i Irland, bl.a. i Nordisk tidsskrift for filologi.
1919–22 studerte Marstrander bretonske dialekter i Bretagne. Heller ikke fra dette lange oppholdet i felten ble det publisert noe, men han etterlot seg over 20 hefter med notater. Lite ble også publisert av innsamlingsmaterialet av manske dialekter, men innenfor dette området produserte han de store studiene Det norske landnåm på Man og Treen og keeill. Et førnorsk jorddelingsprinsipp på de britiske øyene. Mange av hans egne observasjoner ble hentet frem i hans meget omfattende tilsvar til J. J. Kneens The Place-Names of the Isle of Man.
Det siste keltiske språkområdet som Marstrander kom til å interessere seg helt spesielt for, var Skottland – nærmere bestemt vestkysten og Hebridene. Fra 1937 ledet han en større undersøkelse som skulle forsøke å kartlegge det som var igjen av skotskgælisk. Undersøkelsen, som var støttet av Nansenfondet og lord Glentanar, gjorde det mulig å sende forskere dit for å beskrive dialektene. Til Hebridene, der språket stod sterkest, sendte han sine elever etter tur, både de norske språkforskerne Carl Hjalmar Borgstrøm og senere Magne Oftedal, men også svenske elever som Nils Holmer. Resultatet av deres arbeider ble trykt i Norsk tidsskrift for sprogvidenskap, som Marstrander grunnla 1928. Han fylte selv mange numre med egne artikler. Han hadde erfaring i dette fra å ha vært redaktør for det irske keltologi-tidsskriftet Ériu 1911–14 og en tid for Royal Irish Academy's gammelirske ordbok. Norsk tidsskrift for sprogvidenskap kom til å danne grunnstammen i det lingvistiske forskningsmiljøet som på denne tiden vokste frem i Norge.
Marstrander la også ned stor innsats som runeforsker med omfattende studier fra slutten av 1920-årene og fremover: Om runene og runenavnenes oprindelse, De gotiske runeminnesmerker og De nordiske runeinnskrifter i eldre alfabet. I tillegg publiserte han gjennom hele sitt liv artikler knyttet til germanistikk og sammenlignende indoeuropeisk språkforskning. Et eksempel er hans bok om hettittisk fra 1919.
Marstrander engasjerte seg veldig i Grønlandsstriden og hørte til gruppen som presset frem okkupasjonen på Øst-Grønland. Han var aktiv motstandsmann under den annen verdenskrig, ble arrestert og satt fengslet i tre omganger (1941, 1942 og 1944–45). Han var aktiv turner til høyt opp i alderdommen.
Carl Marstrander var medlem av Videnskabsselskabet i Kristiania (nå Det Norske Videnskaps-Akademi) fra 1911 og av flere utenlandske vitenskapelige selskaper. Han var æresdoktor ved universitetene i Dublin og Lund, og 1963 mottok han Gunnerus-medaljen fra Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab.