Olivier Martinez ha sido considerado como uno de los secretos mejor guardados de Francia. Después de estudiar en el Conservatoire National Superieur d'Art Dramatique de Francia, Martinez pasó del teatro a la televisión y, finalmente, al cine.

Martinez causó revuelo en su papel del amante de Diane Lane en Infiel (Unfaithful) de Adrian Lyne, con Richard Gere. Se le ha podido ver recientemente en S.W.A.T - Los hombres de Harrelson, el gran éxito del verano dirigido por Clark Johnson. Junto a Samuel L. Jackson, Colin Farrell y Michelle Rodriguez, Martinez interpreta el papel de Alex, un delincuente internacional que ofrece 100 millones de dólares a quien pueda organizar su fuga.

Más recientemente, Martinez ha intervenido en la versión que Robert Allan Ackerman ha hecho de La primavera romana de la señora Stone para la Showtime. En un papel creado originalmente por Warren Beatty, Martinez interpretaba al gigoló italiano Paolo, junto a Anne Bancroft y Helen Mirren.

A continuación rodará Empire of the Wolves del director Chris Nahon, con Jean Reno, una adaptación del último libro de El pacto de los lobos, en febrero de 2004.

Martinez se dio a conocer a nivel internacional por su interpretación de un apuesto oficial de caballería italiano del siglo XIX que se enamora de una mujer casada (Juliette Binoche) en El húsar en el tejado de Jean-Paul Rappeneau. Entre sus trabajos figuran también Antes que anochezca de Julian Schnabel, elogiada por la crítica, con Javier Bardem, Mon Hom de Bertrand Blier, La camarera del Titanic de Bigas Luna, La ciudad de los prodigios de Mario Camus, y La hora del silencio de Eric Barbier, con Claude Brasseur.

Martinez hizo su debut en el cine en IP5 (1992) de Jean Jacques Beineix, junto a Yves Montand. En 1994 recibió el premio César al actor joven más prometedor por su trabajo en el drama de Bertrand Blier 1, 2, 3 Soleil, protagonizado por Marcello Mastroianni.