Martin James Landau 1928. június 20-án született New York Brooklyn nevű városrészében. A középiskola elvégzése után öt éven át a New York Daily News rajzolójaként dolgozott – az Egyesült Államok képregény-történetének egyik kiemelkedő alakja, Gus Edson mellett. A Chaplin-rajongó, mozibolond Landau 22 évesen mégis felmondott, mert a színjátszás jobban vonzotta.
Kicsit később, 1955-ben lett a híres Actors Studio hallgatója – a fáma szerint 500 jelentkezőből csupán őt és Steve McQueent vették fel abban az évben. A neves színészképzőben olyan mesterektől sajátította el a szakma fortélyait, mint a világ leghíresebb drámapedagógusainak egyike, Lee Strasberg, a kétszeres Oscar-díjas rendező Elia Kazan (Úri becsületszó, A vágy villamosa, Rakparton, Édentől keletre) és a Strasberggel együtt „Amerika első valódi színházi csoportját”, a Group theatert alapító, „Amerika egyik legnagyobb hatású színházrendezőjeként” emlegetett, Harold Clurman.
Landaut Lee Strasberg később arra biztatta, hogy maga is vállaljon színészoktatást: többek között ő tanította az Actors Studiónál Jack Nicholsont is.
A színészet mellett a színészképzés olyannyira a szenvedélye lett, hogy 1990-től haláláig az Actors Stúdió hollywoodi képzési „tagozatásnak” művészeti igazgatójaként tevékenykedett.
De szintén az Actors Studiónál lettek barátok James Deannel, igaz, rövid időre szólt csak a barátság: a Haraggal a világban és az Édentől keletre ifjú sztárja 1955. szeptember 30-án tragikus autóbalesetet szenvedett, és 24 éves korában meghalt.
Martin Landau 1957-ben mutatkozott be a Broadwayen, első filmszerepét pedig Alfred Hitchcocktól kapta a legendás Észak-Északnyugat (1959) című thrillerben, amelyben egy kémszervezet második emberét alakította. Hamar kiderült, hogy jól áll neki a másodhegedűs-szerep: gyors egymásutánban volt Rufio a Kleopátrá-ban és Kajafás A világ legszebb története című bibliai filmben, a Nevada Smith című westernben pedig egykori osztálytársa, Steve McQueen ellenfeleként alakított könyörtelen gyilkost. Közben a tévének is dolgozni kezdett, első komolyabb díját is egy sorozatnak köszönhette: 1968-ban a Mission: Impossible „álcázós ügynök” szerepéért Golden Globe-ot kapott.
Sokáig csak a tévénél aratott babérokat (Alfa holdbázis), és kevésbé sikeres filmekben vállalt szerepet, amíg az 1980-as évek második felétől újra felfelé ívelt a karrierje.
1989-ben Oscar-díjra jelölték a Francis Ford Coppola rendezte Tucker, az autóbolond című dráma fontos mellékszerepéért (az Aranyglóbuszt megkapta), egy évvel később pedig szintén ott volt a jelöltek között Woody Allen Bűnök és vétkek című erkölcsi tanmeséjéért.
A legjobb mellékszereplőnek járó díjat végül 1995-ben vehette át
a Tim Burton által rendezett, a világ legrosszabb rendezőjének kikiáltott Ed Wood életét megörökítő filmért, amelyben Lugosi Bélát alakította. Az Ed Wood-ért (1994) még egy Golden Globe-díjat és az amerikai színészcéh elismerését is bezsebelte – s valóban, pályájának megkoronázása volt a Drakula megformálása miatt világhíres magyar színész szerepe. Átalakulása tökéletes, az általa életre keltett, kiöregedett, híres szerepébe belecsontosodott, s annak sikerétől kissé megbolondult színész tragikomikus sorsát egyetlen gesztussal, parádés mimikával és testbeszéddel volt képes visszaadni, miközben az angolt törő magyar származású színész akcentusát is kiválóan utánozva tette legendássá Burton filmjét.
A szerepre alaposan felkészült: Lugosi 25 filmjét nézte meg (Tod Browning Drakulá-jától Ed Wood trash alkotásaiig bezárólag) és féletucatnyi mozgóképes interjút, hogy minél inkább bele tudjon bújni a színész bőrébe. Igyekezett visszaadni Lugosi (ma már) teátrális színészetét, de anélkül, hogy paródiába fulladna az alakítás. A filmben egyébként szerepet kapott a lánya, Juliet Landau is (Buffy, a vámpírok réme, Angel).
Martin Landau apróbb és nagyobb szerepekben az Oscar-díj után is óriásit alakított (Pókerarcok, Pinokkió, Az Álmosvölgy legendája, Mi lenne ha?, Míg élünk, szeretünk, A hazug próféta, Emlékezz!). Egészen a haláláig dolgozott, utolsó filmjét 2017-ben, nem sokkal a halála előtt mutatták be a Tribeca fesztiválon (Abe & Phil's Last Poker Game).