Étudiant en philosophie à la California State University de Long Beach, Steve Martin se destine à l'enseignement de cette discipline. En 1967, il découvre le monde de la télévision en signant les scripts de la série The Smothers Brothers Comedy Hour qui lui valent d'emblée un Emmy Award. C'est encore sur le petit écran que le néo-comédien se révèle avec des apparitions récurrentes dans la célèbre émission comique Saturday Night Live, dont il devient l'un des piliers dans les années 70.

En 1978, Steve Martin découvre le cinéma avec un rôle secondaire dans la comédie musicale The Sergeant Pepper's lonely hearts band. L'année suivante, il s'établit définitivement dans le registre comique en cumulant les rôles dans Un Vrai schnock ! de Carl Reiner. Après un détour par le drame (Tout l'or du ciel, qui lui vaut sa première nomination aux Golden Globes), l'acteur retrouve Carl Reiner et le sourire avec Les Cadavres ne portent pas de costard (1982) et L'homme aux deux cerveaux (1983), film qu'il écrit et dans lequel il révèle l'étendue de son sens de la comédie loufoque. Avec Solo pour deux (1984), toujours signé Carl Reiner, et Roxanne (1987), Steve Martin gagne définitivement le cœur des spectateurs et de la critique.

Dans les années 90, le comédien continue d’œuvrer presque exclusivement dans la comédie et rencontre un beau succès public avec Le Père de la mariée (1991) et sa suite (1995). Il s'illustre également dans Portrait craché d'une famille modèle de Ron Howard et Fais comme chez toi de Frank Oz, pour qui il avait déjà tourné La Petite Boutique des horreurs et Le Plus escroc des deux, tout en faisant un passage marquant par le drame avec Grand Canyon de Lawrence Kasdan. Après avoir participé à l'arnaque de La Prisonnière espagnole en 1997, il partage l'affiche de Bowfinger, roi d'Hollywood (1999), réalisé par son ami Frank Oz, avec un autre ténor de la comédie américaine, Eddie Murphy.

En 2003, Steve Martin figure au générique du succès surprise Bronx à Bel Air, puis est plébiscité par le public avec Treize à la douzaine (2004), gros succès au box-office américain, et sa suite (2006). Décidément fidèle à la comédie, il succède la même année à Peter Sellers dans la peau de l'inspecteur gaffeur Jacques Clouseau pour La Panthère Rose : un personnage culte qu'il retrouve trois ans plus tard. En 2009, il se dispute avec Alec Baldwin les faveurs de Meryl Streep dans la comédie romantique de Nancy Meyers, Pas si simple. Après trois années loin des plateaux, Steve Martin revient au cinéma en 2012 avec The Big Year, nouvelle comédie déjantée dans laquelle il donne la réplique à Jack Black et à Owen Wilson.