4 июля 2014 года Ромеро подписал пятилетний контракт с донецким «Шахтёром». В рамках 11-го тура украинской Премьер-лиги розыгрыша 2016/17 Марлос провёл свой 100-й матч за «Шахтёр». По итогам 2017 года бразилец был признан лучшим игроком года в составе «горняков». Успешная игра южноамериканца заинтересует многие клубы, не только в Украине, но и в ведущих футбольных лигах Европы, которые начнут проявлять интерес к натурализованному украинцу с 2016 года. В 2019 году к Марлосу снова проявляли интерес клубы итальянской Серии А. 12 декабря 2021 года «Шахтер» сообщил, что Марлос завершает выступления за клуб в связи с истечением срока контракта 31 декабря 2021 года. Суммарно Марлос за «Шахтер» сыграл во всех турнирах 287 матчей и забил 74