Το 2004 ίδρυσε την ερευνητική ομάδα Μηχανικής Χημικών Διεργασιών Εναλλακτικών Καυσίμων και Τεχνολογιών Αντιρρύπανσης, η οποία δραστηριοποιείται σε θέματα σχετικά με την “πράσινη” ενέργεια (τεχνολογίες και οικονομία του υδρογόνου, κυψέλες καυσίμου, ενεργειακή αξιοποίηση βιομάζας) και την προστασία του περιβάλλοντος (αντιρρυπαντικές τεχνολογίες αερίων και σωματιδιακών ρύπων, αειφόρο διαχείριση απορριμμάτων), ενώ επίσης ασχολείται με την αξιοποίηση Εθνικών και Ευρωπαϊκών χρηματοδοτήσεων μέσω της συμμετοχής του σε μεγάλο αριθμό ανταγωνιστικών προγραμμάτων έρευνας και ανάπτυξης.

Η ερευνητική δραστηριότητα του Γ. Μαρνέλλου, η οποία έχει δημοσιευθεί σε 89 άρθρα σε διεθνή έγκριτα επιστημονικά περιοδικά υψηλής απήχησης καθώς και σε πλέον των 150 άρθρων/ανακοινώσεων σε πρακτικά διεθνών και εθνικών επιστημονικών συνεδρίων, έχει τύχει διεθνούς αναγνώρισης (άνω των 2700 σύμφωνα με το Google Scholar, αντίστοιχα με δείκτη H ίσο με 27) με αποκλειστικά αφιερώματα εφημερίδων και επιστημονικών επιθεωρήσεων στο επιστημονικό του έργο. Το συγγραφικό έργο του Γ. Μαρνέλλου περιλαμβάνει επίσης 2 κεφάλαια σε συγγράμματα που αναφέρονται στις τεχνολογίες υδρογόνου και δύο διπλώματα ευρεσιτεχνίας.

Το 2010 του απονεμήθηκε η ερευνητική υποτροφία (research scholar) του ιδρύματος Fulbright για την σύναψη συνεργασίας με το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Μassachussets Ιnstitute of Τechnology, σε θέματα ανάπτυξης μικρό-κυψελών καυσίμου (micro-SOFCs). Επίσης το 2015 του απονεμήθηκε από το Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας Βραβείο Καινοτόμου Έρευνας για τα έτη 2012-2014. Έχει συμμετάσχει σε οργανωτικές και επιστημονικές επιτροπές συνεδρίων και ημερίδων που σχετίζονται με ενεργειακά και περιβαλλοντικά θέματα. Σήμερα είναι Πρόεδρος του ΔΣ του Cluster Βιοοικονομίας και Περιβάλλοντος Δυτικής Μακεδονίας και Αναπληρωτής επιμελητής έκδοσης του διεθνούς επιστημονικού περιοδικού “Hydrogen” του εκδοτικού οίκου MDPI.