Окончил Кембриджский университет (1932). Там же с 1934 года разрабатывал методы выделения витамина Е и никотиновой кислоты, для чего создал эффективный противоточный аппарат. Совместно с Р.Л.М.Сингом сконструировал аминокислотный анализатор. Дальнейшие исследования привели их к созданию в 1944 году метода хроматографии на бумаге. В 1946—1948 годах Мартин занимался выделением и очисткой пенициллина. Затем в Национальном институте медицинских исследований в Лондоне работал над выделением биологически важных веществ и развитием метода газо-жидкостной хроматографии. С 1965 года экстраординарный профессор Высшей технической школы в городе Эйндховен (Нидерланды).
Нобелевская премия по химии (1952, совместно с Р.Л.М.Сингом) за разработку методов хроматографии.