Мартин родился в умбрийском городе Тудертума. Ещё с юных лет он ощутил в себе призвание к служению Богу и, оставив родной город, отправился на учёбу в Рим.

Когда Мартин был дьяконом Римской Церкви, Папа Теодор I отправил его в качестве своего нунция (посланника) в Константинополь.

После Теодора I, в 649 году Мартина выбирают Папой. Не ожидая согласия императора, как это делали предыдущие Папы, его сразу рукоположили в епископы и возвели на папский престол.

В том же году Папа Мартин созвал в Риме Латеранский Собор, на котором присутствовали 105 епископов. Собор осудил ересь монофелитов, утверждавших, что в Иисусе Христе при наличии двух естеств (божественного и человеческого), существует только одна воля. Согласно учению Католической Церкви,  Богочеловек имеет две воли, и его человеческая воля подчинена божественной.

Латеранский Собор издал 20 канонов против монофелитства на латинском и греческом языках. Они были впоследствии приняты шестым Вселенским Собором и их считали лучшим и яснейшим изложением учения Католической Церкви. Собор анафемствовал покровительствовавших монофелитству епископов Феодора Фаранского, Кира Александрийского, Сергия, Пирра и Павла Константинопольских.

Папа Мартин разослал Соборные Деяния всем епископам и императору Констансу, а верным Антиохийского и Иерусалимского Патриархатов он отдельно послал энциклику, дабы предостеречь их против еретических патриархов Антиохии и Александрии. Он объявляет еретиком и незаконным пастырем нового Иерусалимского Патриарха Сергия и поручает управление Патриархатом Иоанну Филадельфийскому, и в помощь ему дает четырех советников. Одновременно, «в силу апостольской власти, данной ему Христом через Петра святейшего и корифея апостолов», он показывает, чтобы юрисдикция таким образом созданной викарной коллегии простиралась не только до пределов Иерусалимской Кафедры, но и на весь Антиохийский Патриархат.

Святому Мартину вскоре пришлось страданиями запечатлеть твердость, которую он проявлял в вопросах доктринальных и в деле административном, вопреки официальному противодействию Византии. Одновременно и также как он пострадал один из величайших церковных писателей, великий ученый и философ Максим Исповедник, иеромонах, авва Хрисополитанский. Он тоже смотрел на Римский Престол как на светоч Истины. Он писал: «Со всех концов земли, очи всех обращены на Святую Римскую Церковь в ожидании, что она прольет на всех лучезарный свет святых догматов наших отцов. Так как со времен воплощения Слова все христианские Церкви всего мира не имели и не имеют другого столпа и утверждения кроме этой великой Церкви».

В другом письме он утверждал, что единственным способом для Византийского Патриарха Пирра доказать свое православие было «повиниться перед святейшим Папой Римским, т. е. перед Апостольским Престолом, получившим от Самого Воплощенного Слова и от святых Соборов власть над всеми Божьими Церквами во всем мире, а также право и власть вязать и решить всех и вся».

Таким образом, христиане всех стран собирались вокруг Римского Престола, и потому император Констанс вознамерился лишить католиков самой твердой их поддержки. Он

отправил в Рим своего представителя Олимпия, чтобы заставить Папу подписать царский декрет «Типос», запрещавший осуждение монофелитства. Олимпий приказал одному из своих слуг убить Мартина. На Рождество Христово, когда Папа совершал ночное богослужение, нанятый убийца вошёл в храм и с ножом начал приближаться к престолу, но неожиданно ослеп. Таким чудесным способом Иисус Христос спас своего Наместника.

Претерпев неудачу, Олимпий сам восстал против императора с большей частью своего войска. Впоследствии враги Святого Мартина, чтобы обосновать его осуждение, возвели на него ложное обвинение, будто бы он возбуждал Олимпия к восстанию. Новому экзарху Феодору Каллиопасу хитростью удалось завладеть Папой, посадить его на судно и тайно увезти в ночь с 18 на 19 июня 653 г. После трехмесячного плавания Мартин прибыл на остров Наксос, один из Цикладских островов, где он оставался в темнице целый год, перенося такие болезни и лишения, что был близок к смерти. 17 сентября 654 г. его перевезли в Константинополь, где толпа встретила его насмешками и бранью. Он был в тюрьме 93 дня, больной и умирающий от голода, прежде чем явиться перед судьями. Его обвинили в участии в восстании Олимпия, так как нужна была наличность преступления, а, между тем, византийцы были слишком проникнуты сознанием преимуществ преемника Святого Петра, чтобы обвинить его в ереси. Когда председатель суда принуждал Папу Мартина оправдываться, то он начал свою защитительную речь так: «Когда «Типос» был обнародован и послан в Рим…» Но префект Троил немедленно воскликнул: «Ты не должен говорить о вере, а только о восстании, в котором тебя обвиняют». Мартину оставалось по примеру Христа молчать перед своими судьями. Он подвергся оскорблениям толпы: его волокли через весь город с цепью на шее и ввергли в темницу почти нагого, несмотря на суровую зиму.

После 85 дневного заключения в новой тюрьме, Мартин был отправлен в Херсонес, в Крым, где его лишали всего, даже хлеба. Наконец, он почил 16 сентября 655 г. и был прославлен как мученик. Его тело было предано земле около Херсонеса в церкви Божьей Матери Влахернской, куда к его могиле вскоре стали стекаться многочисленные паломники.

Позднее мощи Папы Мартина были перевезены в Рим, в церковь Святого Мартина Турского.

День памяти Святого Папы Мартина – 13 апреля.