Fils d'une Française et d'un père boxeur d'origine espagnole d'Afrique du Nord, Olivier Martinez a commencé le théâtre dans la Compagnie
Francis Huster en même temps que
Clotilde Courau, Valérie Crunchant, Christiana Reali,
Estelle Skornik. À vingt-trois ans, il entre au Conservatoire.
À ses débuts, il joue un jeune taggeur en rupture de ban dans IP5: L'île aux pachydermes, de
Jean-Jacques Beineix, aux côtés d'
Yves Montand dont c'est le dernier film.
Il obtient en 1994 le César du meilleur espoir masculin pour son rôle de Petit Paul dans le film de
Bertrand Blier,
Un, deux, trois, soleil. Celui-ci lui offrira en 1995 un autre rôle d'homme à forte personnalité dans Mon homme où il donne la réplique à
Anouk Grinberg.
Il tient ensuite le rôle du colonel Angelo Pardi, aux côtés de
Juliette Binoche dans
Le Hussard sur le toit de
Jean-Paul Rappeneau. Ce film lui permet d'accéder à la scène internationale. Il tourne alors le thriller espagnol Semana Santa avec
Mira Sorvino. Puis, le cinéma américain, attiré par son physique séducteur à l'accent frenchy lui offre le rôle de Paul Martel dans Infidèle d'
Adrian Lyne où il est l'amant de Connie Sumner jouée par
Diane Lane. En 2003, il incarne un trafiquant de drogue dans le film de Clark Johnson S.W.A.T., adaptation d'une série américaine. Il tourne également pour la télévision américaine une adaptation de The Roman Spring of Mrs Stone. En 2004, il est l'enquêteur Paquete à la poursuite d'un serial killer aux côtés d'
Angelina Jolie dans le film Taking lives - destins violés de D.J. Caruso.
En 2006, la maison Yves Saint-Laurent l'engage pour présenter son nouveau parfum baptisé L'Homme.
En mars 2008, Olivier Martinez a agité le monde du Web collaboratif en attaquant plusieurs sites, dont l'agrégateur de news Fuzz.fr pour atteinte à sa vie privée. Ceux-ci avaient inclus un lien vers des sites évoquant une liaison présumée de l'artiste. Cette attaque a déclenché une campagne Internet intitulée « J'aime pas Olivier Martinez » dirigée contre l'acteur. Le tribunal de grande instance de Paris a donné raison à l'acteur et a condamné les sites à des amendes (500 à 1000 euros) et au paiement des frais d'avocat. Pour certains professionnels du web 2.0, cette affaire remettrait en question la distinction entre hébergeur et éditeur sur Internet et la définition de leur responsabilité. Depuis, Éric Dupin, créateur de Fuzz.fr, a fait appel de cette décision et a gagné cet appel.