Marlen Fröhlich ist Primatologin und erforscht das Kommunikationsverhalten von Menschenaffen mit dem Ziel, die sozio-kognitiven Grundlagen und die Evolution der menschlichen Sprache besser zu verstehen. Ihr Schwerpunkt liegt auf der Ontogenese, Multimodalität und Plastizität von Kommunikation. Zu diesem Zweck hat sie in den letzten zehn Jahren an Schimpansen, Bonobos, Borneo- und Sumatra-Orang-Utans an verschiedenen Standorten geforscht, was es ihr ermöglichte, artspezifische von umweltbedingten Variationsquellen zu unterscheiden. Sie war eine der ersten vergleichenden Forschenden, die einen integrierten multimodalen Ansatz verfolgte, bei dem Gestik, Mimik und Lautäußerungen kombiniert wurden. In ihrer Doktorarbeit über freilebende Schimpansen und Bonobos konzentrierte sie sich vor allem auf Fragen der kognitiven Grundlagen des Kommunikationsverhaltens, die aus der vergleichenden Psychologie stammen. Ihre neuere Arbeit über die Kommunikation von freilebenden und in Zoos lebenden Orang-Utans ermöglichte es ihr dagegen, sich mit Fragen zur Funktion von Signalen zu beschäftigen, die aus der Verhaltensökologie stammen. Da beide Arten von Fragen für ein umfassendes Verständnis der Evolution der menschlichen Sprache wesentlich sind, hat sie häufig interdisziplinäre Ansätze verfolgt.

Nach ihrer Promotion und einem kurzen Postdoc-Aufenthalt am Max-Planck-Institut für Ornithologie im Jahr 2016, wechselte sie für ihr eigenes Postdoc-Forschungsprojekt an das Anthropologische Institut der Universität Zürich. Im Januar 2022 kehrte sie nach Deutschland zurück, um einen Forschungs- und Lehrauftrag an der Universität Tübingen anzutreten. Im April 2022 wurde sie mit einem der letzten dreizehn Freigeist-Stipendien der VolkswagenStiftung für ihr interdisziplinäres Forschungsprojekt "Wege zur Sprache: Die Rolle von kommunikativer Plastizität in der Handlungskoordinierung" ausgezeichnet.