Père de Charlie Sheen et d'Emilio Estevez.

A 19 ans, Ramon Estevez s'arrange pour rater son examen d'entrée à l'Université de Dayton pour pouvoir suivre une carrière de comédien. Il déménage à New York où il trouve du travail au théâtre puis à la télévision. C'est dans ce dernier médium qu'il connaît ses premiers succès sous le pseudonyme de Martin Sheen. En 1967, il fait ses débuts au cinéma dans L' Incident de Larry Peerce. En 1968, il joue les premiers rôles dans The Subject was roses d'Ulu Grosbard, reprenant un des premiers rôles qui l'avait fait connaitre au théâtre. En 1973, Martin Sheen obtient une véritable reconnaissance pour son travail sur La Balade sauvage de Terrence Malick. Son interprétation d'un jeune tueur en série adolescent en fuite avec Sissy Spacek l'impose comme un des principaux héritiers de James Dean.

L'acteur peine pourtant par la suite à confirmer son statut au cinéma. A cette époque comme par la suite, on le retrouve au générique de très nombreux téléfilms. En 1976, il tourne au côté de Sophia Loren et Burt Lancaster dans le drameLe Pont de Cassandra. En 1979, Francis Ford Coppola fait appel à lui pour remplacer Harvey Keitel au pied levé dans Apocalypse Now, après deux semaines de tournage. Il offre une composition halluciné du capitaine Willard remontant le fleuve à la recherche du colonel Kurtz. Le tournage ne sera pas de tout repos pour l'acteur puisqu'il y fera une crise cardiaque, mettant un temps en danger la poursuite du film.

Les années 1980 lui offrent plusieurs grands rôles. Il est un reporter du New York Times dans Gandhi (1982) de Richard Attenborough et un politicien plein d'ambitions dans Dead Zone (1983) de David Cronenberg. Il participe en parallèle à plusieurs documentaires engagés comme Broken Rainbow. En 1987, Martin Sheen retrouve pour la première fois sur grand écran son fils, Charlie Sheen, dans Wall Street d'Oliver Stone. Le père dirigera ensuite le fils en 1991 dans Cadence, qui suit un jeune militaire qui refuse de se plier à l’autorité. Cela constitue à ce jour le seul passage par la case mise en scène pour Martin Sheen.

S'il tourne beaucoup dans les années 1990, le comédien ne trouve plus vraiment de rôles de grande envergure. Il est le général Lee dans Gettysburg (1993), l'homme de main du président dans Le Président et Miss Wade (1995) et l'entraineur d'une équipe de basket dans Othello 2003 (2001). Un an après, Steven Spielberg lui offre le rôle du père de la fiancée de Leonardo DiCaprio dans Arrête-moi si tu peux, et tourne en 2006 sous la direction de Martin Scorsese dans Les Infiltrés, mais également sous celle de son fils aîné, Emilio Estevez, dans Bobby.

C’est lors de cette période moins faste sur grand écran que Martin Sheen comprend que la télévision aussi peut offrir de beaux rôles de premier plan. Dès 1999, et ce pendant sept saisons, les téléspectateurs le retrouvent alors dans la peau du président des États-Unis Jed Bartlet dans la série À la Maison blanche, aux côtés de Rob Lowe et Allison Janney notamment.

En 2007, il est à l'affiche de Talk To Me, un biopic sur la vie de Petey Green, un disc-jockey des années 70 impliqué dans le mouvement afro-américain des droits civiques. Fidèle à ses convictions politiques, Martin Sheen partage ensuite la narration du documentaire La Fin de la pauvreté ? avec Charles Berling en 2008. La même année, le comédien apporte son soutien au candidat Barack Obama lors de la campagne présidentielle. Durant les années qui suivent, le cinéma le cantonne surtout à des seconds rôles, que ce soit dans Love Happens, Conspiracy, Jusqu’à ce que la fin du monde nous sépare, ou encore The Amazing Spider-Man, dans lequel il campe Ben, l’oncle de Peter Parker, incarné par Andrew Garfield. Il lui faut attendre 2013 et le film The Way, La route ensemble pour retrouver le haut de l’affiche grâce à un rôle tout spécialement écrit pour lui par son fils cinéaste, Emilio.

Après avoir participé de manière récurrente à la série Anger Management, face à son fils Charlie, Martin Sheen est de retour sur le petit écran en 2015 dans Grace et Frankie. Dans cette nouvelle création de Marta Kauffman, à qui l’on doit la comédie culte Friends, il joue Robert qui quitte du jour au lendemain sa femme Grace, interprétée par Jane Fonda, afin d’épouser un autre homme.