Оливье Мартинес родился 12 января 1966 года в Париже, в семье механика и секретарши. Детские и юношеские годы Мартинеса прошли в рабочем пригороде Парижа. Его отец, родом из Испанского Марокко, серьезно занимался боксом, и сын тоже пошел по его стопам и выступал в полусреднем весе. Однако автомобильная авария вынудила Оливье Мартинеса отказаться от спортивной карьеры.   Бросив школу, он перебивался случайной работой, и под влиянием друзей в 23 года поступил в Национальную консерваторию драматического искусства. В кино актер дебютировал маленькой ролью в 1990 году, а вскоре после окончания учебы, благодаря сценической работа в постановке Любовь под вязами, он получил первую большую роль Тони в приключенческой картине IP5: Остров толстокожих, где его партнером стал Ив Монтан.   Подтверждая свой статус восходящей звезды, Мартинес сыграл в дуэте с Марчелло Мастроянни в экспериментальной ленте Бертрана Блие Раз, два, три, солнце), удостоившись премии Сезар как «самый многообещающий актер». Ставший хитом в Европе, Всадник на крыше, в котором его партнершей стала Жюльет Бинош, сделал известным имя Оливье Мартинеса известным в среде почитателей арт-хаузного кино в Америке. Еще большее внимание в Голливуде он обратил на себя после картины Бигаса Луны Горничная с Титаника.   В последующие годы актер сыграл в нескольких испанских и французских картинах и обратил на себя внимание Эдриана Лайна, который пригласил Оливье Мартинеса в свой новый фильм Неверная на роль соблазнителя Поля Мартеля. Партнерами Мартинеса теперь стали Даэйн Лайн и Ричард Гир.