Cliff Martinez a commencé sa carrière de compositeur pour un show télévisé populaire, le Pee Wee's Playhouse. À cette époque, il est plus intéressé par les groupes de rock, dans lesquels il était batteur.
Il participe en 1982 à l'album Ice Cream For Crow de Captain Beefheart. On le voit dans le clip vidéo du titre aux côtés, entre autres, de Gary Lucas.
Par la suite, le rythme de vie des groupes de rock le lasse et il se concentre sur la composition de bandes originales de films. La première bande originale qu'il signe est celle du film Sexe, Mensonges et Vidéo, réalisé par Steven Soderbergh : ensuite, une collaboration fructueuse se développe entre les deux hommes, avec notamment Traffic en 2000, Solaris en 2002 et la série téléviséeThe Knick en 2014.
C'est pour la bande originale de Solaris que Cliff Martinez est le plus connu, non seulement parce qu'elle est considérée comme son meilleur travail, mais aussi parce qu'elle lui a permis d'établir son propre style de bande originale : une combinaison de musique électronique et de samples avec des arrangements orchestraux, qui donne une impression de temps suspendu et d'état d'apesanteur. Dans le cas d'un drame psychologique comme Solaris, la musique de Cliff Martinez joue le rôle d'un personnage invisible mais bien présent et est un vecteur d'émotion puissant.[réf. nécessaire]