In Paris geboren als Sohn eines spanisch-marokkanischen Boxers und einer französischen Sekretärin, startete Olivier Martinez seinen Steckbrief als Schauspieler 1990 mit nationalen Film- und Fernsehrollen. Nach mehreren Krimis, Thrillern und Liebesfilmen bekam er 1994 den Filmpreis César als bester Nachwuchsdarsteller für seine Rolle in "Une, Deux, Trois, Soleil" (1993) verliehen.
International startete Olivier Martinez ab 2000 in Hollywood durch. Im Biopic "Bevor es Nacht wird" (2000) spielte er neben Johnny Depp und im Liebesdrama "Untreu" (2002) neben Diane Lane und Richard Gere. Bald wurde er als Prototyp des Latin Lovers oder Bösewichts mit mediterranem Einschlag besetzt wie als Gangsterboss im Cop-Action-Blockbuster "S.W.A.T. - Die Spezialeinheit" (2003) mit Samuel L. Jackson und Colin Farrell oder dem Psychothriller "Taking Lives" (2004) mit Angelina Jolie.
Dazu sah man den Schauspieler öfters in europäischen Produktionen wie dem Thriller "Semana Santa - Die Bruderschaft des Todes" (2002) oder in dem deutsch-amerikanischen Werwolf-Horrorfilm "Blood and Chocolate" (2007) von Claudia von Garnier. Danach hat sich Olivier Martinez auf der Leinwand rar gemacht.
Schlagzeilen machte er dagegen regelmäßig mit der Wahl seiner Partnerinnen. Von 1996 bis 1999 war er mit der französischen Schauspielerin Juliette Binoche zusammen, von 1999 bis 2003 mit dem australischen Popstar Kylie Minogue. Danach folgten Beziehungen mit US-Schauspielerin Mira Sorvino und dem englischen Model Rosie Huntington-Whiteley. 2010 ist der Schauspieler mit Ex-Bond-Girl Halle Berry liiert, die er bei den Dreharbeiten zum Actionthriller "Dark Tide" kennenlernte, der im März 2012 startete. 2013 wird bekant, dass das Paar ein gemeinsames Kind erwartet, Im Juli desselben Jahres krönen Halle und Olivier ihre Liebe mit einer Hochzeit in Frankreich.