12 Ocak 1966′da Paris’te doğdu. Babası Fas asıllı İspanyol bir boksör, annesiyse Fransız bir sekreterdi. Fransa'da Consevatoire National Superieur D'Art Dramatique'de oyunculuk okuyan aktör, Yves Montand'ın rol aldığı ve Jean Jacques Beinex'in yönettiği 1992 yılı yapımı IP5 filmiyle kariyerine başladı. 1994 yılında Bertrand Blier'nin yönettiği ve Marcello Mastroianni'nin oynadığı 1,2,3 Sun filmindeki performansı ile Ümit Veren Genç Aktör dalında Cesar Ödülü'ne layık görüldü.
Jean Paul Rappeneau'nun Horseman on the Roof filminde Juliet Binoche'un sevgilisi rolüyle uluslararası seyirciyle tanışan genç oyuncu, Bertrand Blier'nin Mon Homme, Bigas Luna'nın The Chambermaid on the Titanic, Mario Camus'nün La Ville des Prodiges ve Eric Barbier'nin Toreros ve Julian Schnabel'in Before Night Falls filmlerinde rol aldı. 2002 yılında Unfaithful - Sadakatsiz'de Richard Gere'in karısı Diane Lane'i baştan çıkaran Fransız aşık rolünde beğeni topladı. Bu filmde aldığı övgülerle Hollywood'daki yerini sağlamlaştıran Martinez, 2003 yılında Samuel L. Jackson, Colin Farrell ve Michelle Rodriguez'e karşı kötü adamı canlandırdığı “S.W.A.T.”ta yer aldı. 2004'te ise Angelina Jolie, Ethan Hawke ve Kiefer Sutherland’la birlikte kamera karşısına geçti ve “Taking Lives - Hayatın Benim”de oynadı. Dark Tide (2011) filminde yer aldı. 2014'te Revenge dizisinde Pascal LeMarchal karakteriyle 5 bölüm izleyicilerle buluştu.
Mira Sorvino ve Kylie Minogue gibi tanınmış isimlerle uzun süreli ilişkileri olan Martinez, 2013'ten 2016'ya dek evli kaldığı Amerikalı aktris Halle Berry ile birlikteliğinden Maceo adında bir erkek çocuğu sahibidir.