Olivier Martinez est issu d'une famille modeste de la banlieue parisienne. Il quitte l'école jeune, vivant de petits travaux. Très vite, ses amis le poussent à prendre des cours de théâtre et, à l'âge de 23 ans, il s'inscrit au Conservatoire de Paris. C'est la papesse du PAF Josée Dayan qui lui offre son premier rôle, celui de Pascal dans Plein fer, fresque provençale sur fond de pétanque et de vengeance. En 1992, il est plus largement révélé par Jean-Jacques Beineix dans IP5 : L'île aux pachydermes, road-movie aux coeur des Pyrénées avec Yves Montand.
Frère de l'acteur Vincent_Martinez .