從講武堂畢業後被派到連隊(馮玉祥部隊)任助教、排長。1927年“四一二”蔣介石叛變革命後,他毅然脫離部隊回到博興,和已經加入共產黨的劉順元、張靜源等同學接觸,於1931年6月加入中國共產黨,在博興從事黨的地下工作。先後任博興六區和四區聯莊會助理員、教練、中共博興縣委軍事部長兼四區聯莊會地下黨支部書記。經過短短几個月的工作,就控制了聯莊會這支100多人的武裝。
1932年秋,中共山東省委軍事部長張鴻禮到博興指揮“八四暴動”。暴動中,馬千裡帶領興福聯莊會的起義人員,收繳了該會的全部武器;迫使三官廟的民團投降。翌日拂曉,暴動隊伍向5區進軍,在利城與其他暴動隊伍會合宣布成立“魯東革命軍第一大隊”,共300餘人,馬千里任大隊長。其後幾天,部隊迅速發展到700餘人,在博興四、五、六區,發動民眾打土豪、開倉濟貧,截擊國民黨政府的汽車。但這次暴動遭到韓復榘軍隊鎮壓,只幾天就失敗了。
博興暴動失敗後,馬千里被通緝,妻子被捕,幼子慘死,這些並沒動搖他的革命信念。他和張復生(又名張仿,後叛變)一起去濰坊、即墨、天津、北京等地。因找不到中共黨組織,便棲身於國民黨軍高桂滋部任連長。1935年冬,他帶領4名士兵,攜槍投奔陝北蘇區參加了紅軍。先後在紅軍大學當教員、任韋國清營三連軍事助教和八路軍總政統戰部幹事。在此,周恩來指示,為他恢復了黨籍,並派他到東北軍中開展統戰工作。在爭取李仙洲、高桂滋、井岳秀三個師的工作中做了大量工作。後被派往安定縣委任統戰部長。1936年,馬千里入“抗大”學習。1938年被派回山東清河區任八路軍山東縱隊第三支隊七團副團長, 帶領部隊活動在鄒平、 長山、濱縣、青城一帶。1939年4月22日,馬千里率七團駐長山縣愛賢村,日偽軍前來“掃蕩”,他帶4個排隱蔽在村外樹林裡。戰鬥打響後,敵人組織了8次衝鋒,均被七團打退。他被敵彈擊中腿部,仍繼續指揮作戰,一直打到天黑。此戰殲敵70餘人,殘敵撤退。馬千里傷愈後任三支隊獨立團政委、第六軍分區司令員等職。
1940年春,三支隊向小清河以北進軍,馬千里率先遣部隊挺進博興一帶。他以個人的名義發布了《告博興父老書》,積極向民眾宣傳抗日,開展統戰工作。立足以後,指揮東路部隊突破國民黨頑軍李寰秋、周勝芳、成建基等部的堵截,插入博興和廣饒北部,與李曼村、韓子衡指揮的西路部隊匯合,在廣北、博興、蒲台、利津、高苑一帶和日、偽、頑軍展開角逐。3月3日,日偽軍500多人突然將東路部隊領導機關包圍在博興東王文村。70餘名指戰員,奮力還擊,打退了敵人10次衝鋒。在彈藥已用完的困境中,冒著敵人施放的毒氣,用刺刀、磚頭、瓦片和敵人展開巷戰,敵人傷亡百餘,七團21人壯烈殉國。東王文戰鬥,八路軍聲威大震。國民黨頑軍劉景良、薛儒華、周勝芳等部又組織了4000多人的“剿共”聯軍,向八路軍山縱三支隊圍攻。馬千里指揮東路部隊給敵人迎頭痛擊後,與中路、西路部隊會師,共同向敵人反擊,激戰10餘天,粉碎了敵人的圍剿,使八路軍山縱三支隊控制了小清河以北黃河以南的廣大地區。
1940年9月,清河軍區部隊改編為山縱三旅後,馬千里任旅參謀處長、清中軍分區司令等職。
1941年8月26日,馬千里與三旅旅長許世友、副旅長楊國夫率三旅部隊大部進軍墾區,打敗了長期盤踞墾區的國民黨頑固派反動武裝,收編、殲滅了土匪,解放了墾區全境。
1946年,國民黨軍向解放區發動軍事進攻,並向山東渤海區派出大批武裝匪特,進行反動宣傳、搶劫、暗殺、製造暴亂等恐怖活動。為加強剿匪工作,渤海區黨委和軍區成立剿匪指揮部,馬千里任指揮,組織了500餘人的騎兵大隊和部分精幹地方武裝,和馮鼎平分別帶領東西兩路剿匪部隊,開展全面剿匪鬥爭。馬千里親率騎兵大隊和一個步兵連,馳騁於惠民、商河、濟陽各地,向匪特展開猛烈的軍事進攻和政治攻勢。經大小戰鬥150多次,連戰皆捷。在大半年的時間內,1.3萬多名匪特基本上被殲滅。
1948年初,在由康生把持的渤海區土改整黨會議上,馬千里無辜受株連,被調出渤海區到鐵路部門工作。他一如既往,無條件地接受任務,帶領2000人的武裝,接管、搶修和保衛膠濟鐵路,保證運輸暢通,支援渤海十縱解放濟南,圓滿完成任務。濟南解放後,馬千里是軍管會成員之一,任華東鐵路警備部隊副司令、濟南鐵路局公安處長等職。當時,國民黨散匪、特務、地痞流氓活動猖獗,經常破壞鐵路,搶劫物資和乘客。馬千里親率部隊乘警車沿徐州、蚌埠、南京、上海等鐵路線巡視,部署部隊加強警戒,發動職工、民兵、民眾護路,並大張旗鼓地鎮壓了一批首犯,打擊了匪特的囂張氣焰。1949年夏,黃河水猛漲,嚴重威脅著鐵路的安全。馬千裡帶領軍民,在濟南附近的險工河段,日夜固堤搶險,奮戰十幾個晝夜,戰勝了伏汛,個人立二等功。1953年,為解決國家急需的木材運輸問題,鐵道部專門成立第六工程局,負責搶修東北的森林鐵路,調馬千里任該局黨委書記兼副局長。這時他已年過半百,身帶殘疾,他不顧嚴寒酷暑,奔波於大興安嶺地區,按期完成自伊春至雙河子、紅山的鐵路搶修任務。3年困難時期,花甲之年的馬千里就任鐵道部生活管理局副局長、視察員等職,親率工作組深入蘭新、包蘭、西隴海等線,和幹部職工同吃同住,幫助解決鐵路職工的生活困難,穩定了職工隊伍。1982年馬千里離休後,幫助黨史、史志部門徵集、撰寫黨史資料;幫助戰友、部下、民眾解決歷史遺留問題,平反冤假錯案,落實政策;為家鄉引進致富門路,受到鄉親們的歡迎和愛戴。
1992年6月9日馬千里因病逝世。