Olivier Martinez s-a născut pe 12 ianuarie 1966 în Paris. Tatăl său era jucător profesional de box, iar mama secretară. A studiat actoria la Conservatoire National Superieur d’Art Dramatique, una dintre cele mai prestigioase școli de actorie din Franța, iar succesul a venit destul de repede după primele filme.
În 1994 a obținut premiul Cesar pentru cel mai bun tânăr actor pentru rolul din Un, Deux, Trois, Soleil. Rolul care l-a adus în atenția publicului a fost cel din Unfaithful alături de Richerd Gere și Diane Lane. După, au urmat The Roman Spring of Mrs Stone, SWAT, Taking Lives și Blood and Chocolate, filmat în București.
Lui Olivier i se mai spune și Brad Pitt francez. A fost cuplat cu Juliette Binoche, Mira Sorvino și Kylie Minogue. Martinez are două motociclete, un apartament în Saint Germain des Pres și un câine numit Sheba.