Оливье Мартинес родился 12 января 1966 года в Париже. Его отец, выходец из Испанского Марокко, был профессиональным боксером, а мать, коренная француженка, работала секретарем. В юности Оливье окончил Высшую национальную консерваторию драматического искусства, расположенную в родном Париже. Среди известных выпускников консерватории числятся такие величины, как Жан-Поль Бельмондо, Сара Бернар, Жюльет Бинош, Кароль Буке, Анна Жирардо, Кристофер Ламберт, Жанна Моро, Венсан Перес, Жерар Филип и Изабель Юппер.
Кинематографический дебют Оливье Мартинеса состоялся в 1990 году. Дебютант получил небольшую роль в криминальном телесериале Патрика Жамена, Николя Рибовски и Жерара Маркса «Комиссар Наварро». Следом начинающий актер сыграл Паскаля в драме Жозе Дайана «Полное железо», а уже через год предстал одним из ключевых персонажей в картине Дональда Кента «Odyssée bidon». Почти одновременно на экраны вышли еще две картины с участием Оливье – драма Жана-Жака Бенекса «Остров мастодонтов» и короткометражка Этьена Форе «Невидимые пароли». Фильм «Остров мастодонтов» рассказывает о приключениях двух приятелей, угнавших грузовик со спящим там человеком, у которого нашлась загадочная карта с пометками и пистолет с двумя пулями. Партнером Мартинеса по съемочной площадке выступил Ив Монтан. При создании короткометражной ленты «Невидимые пароли» актер сотрудничал с Гийомом Депардье.
1993 год начался для Оливье с нашумевшей драматической комедии Бертрана Блие «Раз, два, три… замри!», рассказывающей о беспутной девушке, которая обладает способностью воскрешать мертвых. Лента была удостоена приза на Венецианском кинофестивале, а сам Мартинес получил почетную национальную премию «Сезар» в категории «Самый многообещающий актер». Спустя два года Оливье утвердили на главную мужскую роль в исторической драме Жана-Поля Раппно «Гусар на крыше», снятой по роману Жана Жионо «Всадник на крыше». Его партнером по съемкам выступила актриса Жюльет Бинош. В 1996 году Мартинес возобновил сотрудничество с режиссером Бертраном Блие, приступив к работе над комедийной мелодрамой «Мужчина моей жизни». Его коллега по фильму Анук Гринбер была удостоена премии «Серебряный медведь» на Берлинском фестивале. В следующем году Оливье появился в совместном проекте Франции, Италии, Германии и Испании – мелодраме Бигаса Луны «Горничная с "Титаника"». Мартинес предстал в образе литейщика Хорти, выигравшего поездку в Англию, чтобы увидеть отплытие величественного лайнера. Накануне торжественного события юноша закрутил роман с горничной корабля, которой не суждено было вернуться из плавания.
В 2000 году Мартинес исполнил роль Ласаро Гомеса Карильеса в драме Джулиана Шнабеля «Пока не наступит ночь». Фильм основан на автобиографии кубинского поэта Рейнальдо Аренаса, чей образ на экране воплотил Хавьер Бардем, за что получил номинацию на премию «Оскар» и «Золотой глобус». Через два года Оливье впервые участвовал в голливудском проекте – драматическом триллере Эдриана Лайна «Неверная» – и встретился на площадке с Ричардом Гиром и Дайан Лэйн. Спустя год ему довелось сотрудничать с Колином Фарреллом и Сэмюэлом Л. Джексоном в съемках криминального боевика Кларка Джонсона «S.W.A.T. Спецназ города Ангелов». 2004 год ознаменовался для Оливье совместной работой с Анджелиной Джоли, Этаном Хоуком и Кифером Сазерлендом в психологическом триллере Ди-Джея Карузо «Забирая жизни». Одной из последних на сегодняшний день работ Мартинеса является роль бывшего мужа Кейт (в исполнении Хэлли Бэрри) в фильме ужасов Джона Стоквелла «Заклинательница акул».
