Demarchelier låg bakom kampanjer för lyxvarumärken som Chanel, Louis Vuitton, Dior, Yves Saint Laurent och Carolina Herrera. Han arbetade också för modemagasinen Vogue, Harper's Bazaar och Elle.
Han började filma prinsessan Diana 1989 och var hennes personliga fotograf fram till början av 1990-talet. En av hans mest berömda Diana-bilder prydde omslaget till Vogues decembernummer 1991.
Demarchelier gav också ut böcker om fotografi och medverkade i tv-program som "America's next top model". Han hade en cameoroll i "Sex and the city" och syns också i dokumentären "The September Issue", som handlar om tidningen Vogue och dess järnlady till chefredaktör Anna Wintour.
I "Djävulen bär Prada", som även den inofficiellt skildrar livet på Vogue och dess legendariska chefredaktör, har Anne Hathaways aningslösa rollkaraktär Andy Sachs inte har någon aning om vem han är när han ringer och söker chefen Miranda Priestly.
År 2018 fick hans rykte sig en kraftigt törn efter att The Boston Globe rapporterat om anklagelser om sexuellt ofredande som 50 modeller riktade mot honom. Demarchelier förnekade anklagelserna, men Vogue och andra tidskrifter avbröt samarbetet med honom.