La carriera di Marco Mencarelli inizia nel 1992, all'interno della struttura tecnica federale delle squadre nazionali come collaboratore, sia per quanto riguarda il settore maschile che femminile. Dal 2001 al 2004 è vice allenatore della nazionale femminile, con la quale ottiene la medaglia d'oro al campionato mondiale del 2002 e partecipa ai Giochi Olimpici di Atene 2004. Successivamente guida la nazionale sperimentale ai Giochi del Mediterraneo di Almeria 2005, dove conquista la medaglia di bronzo, iniziando al contempo una collaborazione con il Club Italia.
Partecipa al campionato mondiale del 2006, sempre come secondo, diventando anche tecnico della nazionale femminile Under-19 e Under-29 e, dal 2007, assumendo l'incarico di direttore tecnico delle squadre nazionali giovanili e del Club Italia. Alla guida delle nazionali italiane giovanili ottiene quattro medaglie d'oro, di cui una nel campionato mondiale 2011 e tre consecutive ai campionati europeidel 2006, 2008 e 2010, oltre a una medaglia di bronzo nell'edizione del 2012.  Alla fine del 2012 diventa commissario tecnico della nazionale maggiore, vincendo la medaglia d'oro ai Giochi del Mediterraneo 2013, fino al'esonero avvenuto nel 2014. Nella stagione 2014-15 allena la squadra femminile del Club Italia, che guida alle semifinali dei play-off per la promozione in Serie A1 e ai quarti di finale della Coppa Italia di categoria; contemporaneamente assume la guida della nazionale italiana Under-18 femminile, che conduce al titolo mondiale 2015[5]. A partire dall'annata successiva viene ingaggiato dal Busto Arsizio, per il suo primo incarico nel massimo campionato italiano. Nella stagione 2018-19, alla guida della formazione bustocca ridenominata UYBA.conquista la Coppa CEV. Per il campionato 2019-20 viene ingaggiato dalla Savino Del Bene, sempre in A1 italiana, attualmente allena sempre inserire A nel Bisonte Firenze.