Оливье Мартинес родился 12 января 1966 в Париже. Его отец — Роберт Мартинес — был профессиональным боксером испанского происхождения, а мать — французской секретаршей.
Будущий актер окончил Французскую Национальную Академию Драматических Искусств, после чего он начал актерскую карьеру.
В 1990 году Оливье дебютировал в кино, сыграв эпизодическую роль в сериале «Комиссар Наварро».
В 1993 году Мартинес исполнил главную роль в комедии режиссера Бертрана Блие «Раз, два, три… замри!», за которую юноша был удостоен «Сезар» в номинации «Самый многообещающий актер». В этом же году артист получил приз Жана Габена.
Известность пришла к Оливье Мартинесу после ролей в голливудских картинах «Неверная» (2002), «S.W.A.T.: Спецназ города ангелов» (2003) и «Забирая жизни» (2004).
В 2002 по 2007 году французский актер встречался с австралийской певицей Кайли Миноуг.
В 2010 году Мартинес познакомился с американской актрисой Холли Берри. С 2012 пара официально подтвердила свой роман. 13 июля 2013 года Оливье и Холл официально поженились, а в октябре того же года у супругов родился сын Масео, имя которого можно перевести как «подарок Бога».
За свою карьеру актер снялся в таких фильмах и сериалах, как: «Невидимые пароли» (1992), «Гусар на крыше» (1995), «Горничная с «Титаника»» (1997), «Пока не наступит ночь» (2000), «Страстная неделя» (2002), «Кровь и шоколад» (2007), «Рыцарь дня» (2010), «Реванш» (2011–2015) «Заклинательница акул» (2012), «Довиль» (2012), «Лекарь: Ученик Авиценны» (2013), «Восстание Техаса» (2015) и др.
▪ Премия «Сезар» в номинации «Самый многообещающий актер» за фильм «Раз, два, три… замри!» (1993)
▪ Приз Жана Габена (1993)
Супруга — Холли Берри, актриса (поженились 13 июля 2013 года)
Сын — Масео (2013)
Жюльет Бинош, актриса
Мира Сорвино, актриса
Мишель Родригез, актриса
Роузи Хантингтон-Уайтли, актриса
Кайли Миноуг, певица