Jego matka jest Francuzką, zaś ojciec Hiszpanem pochodzenia marokańskiego. Dorastał na przedmieściach Paryża w dzielnicy robotniczej. Dość szybko porzucił szkołę i zaczął pracować. Idąc w ślady ojca Olivier Matrinez uprawiał boks, planował nawet zawodową karierę, jednak  kontuzja pokrzyżowała jego plany. Pracował jako mechanik samochody w warsztacie ojca, kiedy przyjaciele namówili go do spróbowania aktorstwa. 23-letni Martinez udał się na przesłuchanie do paryskiej Conservatoire National Superieur d'Art Dramatique, gdzie od razu został przyjęty.

Po ukończeniu szkoły aktorskiej grywał w teatrze i w filmach telewizyjnych, zaś na dużym ekranie zadebiutował rolą w filmie „Plein fer” (1990). Pierwszym ważnym filmem w jego karierze był neobarokowy „IP5” (1992), gdzie Martinez zagrał jedną z głównych ról – młodego lekkoducha Tony’ego, który przyłącza się do starszego Leona (Yves Montand) w poszukiwaniu czystych jezior. Za kolejną rolę – w filmie „Un, deux, trois, soleil” (1993) - Oliver Martinez otrzymał Cezara dla najbardziej obiecującego młodego aktora.

Przełomem w jego karierze był film „Huzar” (1995), gdzie aktor – reklamowany w Ameryce jako francuski Brad Pitt - zagrał główną rolę włoskiego oficera kawalerii, który zakochuje się w zamężnej kobiecie. W tym filmie partnerowała mu Juliette Binoche, z którą aktor zawiązał się w życiu prywatnym. Para przez trzy lata mieszkała razem, a o ich związku rozpisywała się francuska prasa. Ważną rolę drugoplanową Martinez zagrał w dramacie psychologicznym „Mój mężczyzna” (1996), zaś melodramat „Pokojówka z Titanica” (1997) to pierwszy film zagraniczny z jego udziałem. Jedną z pierwszych w swojej karierze głównych ról aktor zagrał w dramacie historycznym „La ciudad de los prodigios” (1999), oraz w hiszpańsko-francuskim filmie „Toeros” (2000), gdzie wcielił się w rolę torreadora.

Pierwszym amerykańskim filmem z jego udziałem był komediowy western „Pogromca byków” (2000), gdzie aktor wystąpił u boku Willema Dafoe. W roku 2000 Martinez  kontynuował amerykański etap swojej kariery, grając w biograficznym filmie „Zanim zapadnie noc” (2000) opowiadającym o życiu i twórczości kubańskiego pisarza Reinaldo Arenasa. W filmie „Semana Santa” (2002) aktorowi partnerowała aktorka Mira Sorvino, a którą aktor związał się w 1999 roku, po rozstaniu z Juliette Binoche.

Kolejną, niezwykle udaną próbą podbicia serc amerykańskiej publiczności był melodramat „Niewierna” (2002), gdzie przystojny Francuz zagrał namiętnego kochanka, z którym główna bohaterka Connie (Diane Lane) ma pozamałżeński romans. Rola Martineza zaintrygowała  hollywoodzkich specjalistów od castingu, którzy powierzyli mu rolę zdeprawowanego króla narkotykowych dealerów w wysokobudżetowym filmie akcji „S.W.A.T. Jednostka specjalna” (2003) zainspirowanego programami telewizyjnymi opowiadającymi o pracy w policji. Kolejnym amerykańskim filmem z udziałem Martineza jest thriller “Złodziej życia” (2004), w którym aktor partnerował samej Angelinie Jolie.

Od kilkunastu miesięcy o Olivierze Martinezie zrobiło się głośno nie za sprawą jego nowego filmu, lecz jego życia prywatnego. W  2003 roku aktor związał się z australijską piosenkarką Kylie Minogue, którą nieustannie wspierał w walce z chorobą nowotworową.