Олів'є Мартіес народився 12 січня1966 року в передмісті Парижа в робітничій сім'ї.[3] Його батько Робер Мартінес, іспанець родом з Іспанського Марокко, понад десять років був професійним боксером, а потім став механіком.[4] Мати, француженка Розмарі, працювала секретарем. Олів'є також декілька років займався боксом, проте автомобільна аварія змусила його відмовитися від спортивної кар'єри.
У 23 роки Олів'є Мартінес поступив до Національної академії драматичного мистецтва.[5] Під час навчання на нього звернули увагу продюсери, і вже наприкінці першого навчального року він отримав епізод у фільмі. У 1992 році Мартінес дебютував великою роллю у фільмі Жана-Жака Бенекса «Острів мастодонтів», який став останньою роботою видатного французького актора Іва Монтана. У 1993 році за роль в «Острові мастодонтів» актор номінувався як багатонадійний актор на французькі національну кінопремію «Сезар». У 1993 році Мартінес знявся в дуеті з Марчелло Мастроянні в експериментальній стрічці Бертрана Бліє «Раз, два, три… сонце»,[6] отримавши премію «Сезар» 1994 року як «багатонадійний актор».[2]
Фільми 1995 року «Гусар на даху», що став хітом у Європі, в якому його партнеркою виступила Жульєт Бінош, зробив Олів'є Мартінеса відомим в середовищі шанувальників артхаусного кіно в США. Ще більшу увагу в Голлівуді він звернув на себе після стрічки Бігаса Луни «Покоївка з „Титаніка“» (1997).[7] У подальші роки актор зіграв в декількох іспанських та французьких кінофільмах.
У 2000 році Олів'є Мартінес уперше знявся в англомовному фільмі — схваленій критиками драмі«Поки не настане ніч».[8] У 2002 році Мартінес приїхав у США і привернув до себе увагу Едріана Лайна, який запросив Олів'є у свою еротичну мелодраму «Невірна» на роль спокусника Поля Мартеля. Партнерами Мартінеса тепер стали Даян Лейн та Річард Гір. Після успіху «Невірної» Мартінес переїхав до Лос-Анджелеса і почав працювати над своєю англійською, намагаючись згладити сильний акцент. Він з'явився на телеекранах у «Римській весні місіс Стоун», а також у бойовику «S.W.A.T.: Спецназ міста ангелів» (2003), трилері «Забираючи життя» (2004) та у фільмі про вампірів «Кров і шоколад» (2007).
Особисте життя
У Олів'є Мартінеса є молодший брат, також актор, Венсан Мартінес.
З 1999 по 2002 рік Мартінеса пов'язували романтичні стосунки з акторкою Мірою Сорвіно.
Найгучніший роман Мартінеса почався у 2003 році — разом з поп-зіркою Кайлі Міноуг він прожив чотири роки. Олів'є підтримав Кайлі, коли у неї виявили рак, та допоміг їй впоратися із страшною хворобою. Проте через деякий час, у 2007 році, коли вона почала одужувати, вони все ж розлучилися.[9]
Після розриву стосунків з Кайлі Міноуг у Мартінеса були короткі романи з ізраїльською моделлю і актрисою Сараї Ґіваті та британською моделлю Розі Гантінгтон, яка удвічі молодша від нього.
У 2010 році Олів'є Мартітес почав зустрічатися з акторкою Голлі Беррі, з якою познайомився на зйомках стрічки «Заклиначка акул»[10][11], з якою одружився 13 липня2013 році в Парижі.[12] Їхній син, Мацео, народився в жовтні 2013 року в Лос-Анджелесі.[13][14] Після двох років шлюбу, в 2015 році пара оголосила, що вони розлучалися.[15] Остаточно шлюб було розірвано в грудні 2016 року.[16]