Martin Donovan 1957. augusztus 19.-én született Kaliforniában, egy ír-amerikai középosztálybeli családban. Három testvérével katolikus szelemben nőttek fel. A gimnáziumot a Crespi Carmelite High Schoolban végezte, majd a Pierce Collegebe járt két évet. Járt a los angelesi, American Theater Arts színtársulathoz. 1982-ben egy epizódszereppel kezdődött színészi karrierje, a King's Crossingban kapott lehetőséget, Jeff Newmant alakította. 1990-ben már főszerepet kapott Hal Hartley filmjében, A semmi ágánban, ahol Adrienne Shellyvel és Rebecca Nelsonnel játszott együtt. 1992-ben az Egyszerű emberekben alakította Martint. Majd szerepelt a Szélhámosok (1993), a A fejvadásznő (1993), A vágy tovább él (1993) és az Amatőr (1994) című produkciókban. 1996-ban Nicole Kidman, John Malkovich és Mary-Louise Parker mellett szerepelt az Egy hölgy arcképe című drámában. 1998-ban újabb nagyobb szerepek következtek, a Nem ér a nemem!-ben Bill Truitt-ot, Az élet könyvében pedig Jesus Christ alakította. 1999-ben Alexander Pushkin regényén alapuló filmdrámában, az Anyeginben kapta meg Nikitin herceg szerepét. A filmben Ralph Fiennessel, Liv Tylerrel és Lena Headeyvel játszott együtt. A következő évben, 2000-ben a Wonderland című sorozatban kapott szerepet, Ted Levine és Michelle Forbes mellett. Dr. Neil Harrisont személyesítette meg. A nagy Gatsby 2000-es rendezésében Tom Buchanant alakította. 2002-ben John F. Kennedyt alakította a Robert Kennedy című életrajzi filmben. 2003-ban epizódszerepet kapott a Különleges ügyosztály és a Helyszínelők sorozatokban. 2005-ben a Csend című thrillerben Elisha Cuthbert, Camilla Belleés Edie Falco voltak a partnerei. Még ebben az évben indult útjára a Nancy ül a fűben című sorozat, melynek 14 epizódjában szerepelt mint Peter Scottson. Valamint ugyancsak ez évben kezdték sugározni a A holtsávot, ahol Malcolm Janust alakította. A későbbiekben olyan produkciókban volt látható mint az Ábécé-gyilkos (2008), a A félelem maga (2009), a Kísértetjárás Connecticutban (2009), a Nincs határ (2010), a Unnatural History (2010) és a Collaborator (2011). 2011-2012 között a Boss című sorozat 14 epizódjában alakította Ezra Stonet. 2012-ben A cég és a Hetedik érzék sorozatokban. 2013-ban 7 rész erejéig szerepelt a Rogue, valamint a Homeland: A belső ellenség sorozatokban. 2014-ben a The Lottery című sci-Fi-ben alakította Darius Hayest, továbbá feltűnt a Hannibal és Az indíték című sorozatokban. A Sabotage című akciófilmben Arnold Schwarzenegger, Sam Worthingtonnal, Joe Manganielloval, Josh Holloway-el, Terrence Howarddal és Max Martinivel dolgozott együtt.