Pochází z dělnické rodiny z pařížského předměstí. Brzy opustil školu a vystřídal několik zaměstnání, vydělával si například jako prodavač džínsů. Přátelé ho přiměli, aby zkusil herectví.
Ve 23 letech se zapsal na studium na pařížské Národní konzervatoři dramatického umění. Olivier Martinez si zahrál ve filmech jako Husár na střeše (1995), Můj pasák (1996), Než se setmí (2000), Nevěrná (2002), Jednotka rychlého nasazení (SWAT) (2003), Zloděj životů (2004), Krev jako čokoláda (2007) nebo Léčitel (2013). S Halle Berry, která je známá z filmové série X-Men (2000, 2003, 2006, 2014) jakož i ze snímků Ples příšer (2001), Dnes neumírej (2002), Gothika (2003) či Atlas mraků (2012), se oženil v červenci 2013. v říjnu 2013 se jim narodil syn Maceo.