Martine Sarcey fait ses débuts d'actrice en 1952 en apparaissant dans L'Agence matrimoniale de Jean-Paul Le Chanois. Dès lors, elle multiplie les petits rôles (Les Intrigantes, Le Caïd de Champignol (1965) ou encore Le Voleur de Louis Malle en 1967. Mais c'est à partir des années 70 que la comédienne, qui partage la vie de l'acteur Michel de Ré, mort en 1979, connaît une activité florissante au cinéma, à la télévision et sur les planches.

Vedette des séries La Porteuse de pain (1973) et La Mort d'un touriste (1975), elle s'illustre dans des rôles de femmes mûres mais désirables pour des comédies grand public : à l'affiche de A nous les petites Anglaises (1976), elle tente d'obtenir les faveurs de Jean Rochefort dans Un éléphant, ca trompe énormement (id.), recherche l'aventure d'une nuit avec Victor Lanoux dans Un Moment d'égarement (1977), succombe au charme d'un adolescent épris d'elle dans L'Hôtel de la plage (1978) et incarne un proviseur en mal d'autorité dans P.R.O.F.S (1985) de Patrick Schulmann.

A partir des années 90, Martine Sarcey se montre davantage présente à la télévision (Les Maîtres du pain, Une femme en blanc, des épisodes de Maigret ou Docteur Sylvestre), et au théâtre, même si elle fait quelques apparitions au cinéma : La Maison assassinée, Jefferson à Paris, La Maladie de Sachs et L'Equipier (son dernier film en 2004), où elle interprète le personnage de Camille âgée en 2004. Parallèlement, Martine Sarcey s'était spécialise dans le doublage, prêtant sa voix à She Ra et à Samantha dans les versions françaises du célèbre dessin animé et de la série Ma Sorcière bien-aimée. Sur grand écran, elle est la voix française de stars telles que Audrey Hepburn, Shirley McLaine ou Natalie Wood. Quelques semaine avant sa disparition en juin 2010, les téléspectateurs peuvent la voir dans la saison 3 d'Engrenages (Engrenages), dans le rôle de la mère du juge Roban.