Issu d'une famille d'ouvriers, Olivier Martinez quitte l'école assez jeune et enchaîne les petits boulots. Ses amis l'incitent à tenter la comédie, et à 23 ans, il réussit le concours d'entrée du Conservatoire de Paris. Très vite, il décroche son premier rôle dans Plein fer de Josée Dayan (1990), et se fait remarquer en jeune taggeur face à Yves Montand dans IP5 (Jean-Jacques Beineix, 1992). Nommé au César du Meilleur Espoir, il le remporte en 1994 pour Un, deux, trois, soleil (Bertrand Blier, 1993), drame dans lequel il interprète à nouveau un banlieusard.

En 1995, Olivier Martinez est Angelo, dans Le Hussard sur le toit de Jean-Paul Rappeneau. Son physique de jeune premier rebelle en fait alors la nouvelle coqueluche du cinéma français. Mais il ne confirme pas son nouveau statut, enchaînant quelques échecs comme Toreros d'Eric Barbier (2000) et La Taule d'Alain Robak (id.).

Souhaitant se tourner vers l'international, il donne la réplique à sa compagne du moment, Mira Sorvino, dans le thriller espagnol Semana Santa (2002) et tente l'aventure américaine avec un premier essai réussi : Avant la nuit de Julian Schnabel (2001). Devenu le nouveau chouchou français des Américains, celui qui cultive une image de latin lover incarne tour à tour l'amant de Diane Lane dans Infidèle (2002) d'Adrian Lyne ainsi qu'un dangereux trafiquant de drogues aux prises avec les membres du S.W.A.T. dans le film d'action de Clark Johnson (2003).

Toujours apprécié en qualité d'acteur français aux Etats-Unis, il campe un officier de police québécois aux côtés de ses compatriotes Tchéky Karyo et Jean-Hugues Anglade dans le thriller Taking lives, destins violés (2004) qui a pour tête d'affiche Angelina Jolie et Ethan Hawke.