Educado en el Conservatorio Nacional Superior de Arte Dramático de Francia, Olivier Martínez está reconocido en los sectores del teatro, la televisión y el cine. Su último trabajo ha sido en el thriller del director DJ Caruso Vidas Ajenas, con Angelina Jolie, Ethan Hawke, Kiefer Sutherland y Gena Rowlands. 

Martínez interpretó al amante de Diane Lane en Infiel, de Adrian Lyne, junto a Richard Gere. También tuvo un papel en S.W.A.T. Los hombres de Harrelson, al lado de Samuel L Jackson, Colin Farrell y Michelle Rodriguez. También ha coprotagonizado la versión de Robert Allan Ackerman de La Primavera Romana de la Sra. Stone. En un papel originalmente creado para Warren Beatty, Martínez encarnó al gigoló italiano Paolo, junto a Anne Bancroft y Helen Mirren.

Llamó la atención del público internacional por su actuación como oficial de caballería italiano del siglo XIX que se enamora de una dama casada (Juliette Binoche) en El Húsar en el Tejado, de Jean-Paul Rappeneau. Su currículo incluye también títulos como: Antes de que Anochezca, de Julián Schnabel, con Javier Bardem; Mi Hombre, 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.

Martínez debutó en el celuloide a las órdenes de Jean Jacques Beineix en IP5, la Isla de los Paquidermos (1992), junto a Yves Montand. En 1994 recibió el César al Actor Revelación por su interpretación en el drama de Bertrand Blier 1, 2, 3… El Sol, protagonizada por Marcello Mastroianni.