Оливье Мартинес родился 12 января 1966 года в Париже, в семье механика и секретарши. Детские и юношеские годы Мартинеса прошли в рабочем пригороде Парижа. Его отец, родом из Испанского Марокко, серьезно занимался боксом, и сын тоже пошел по его стопам и выступал в полусреднем весе. Однако автомобильная авария вынудила Оливье Мартинеса отказаться от спортивной карьеры.
Бросив школу, он перебивался случайной работой, и под влиянием друзей в 23 года поступил в Национальную консерваторию драматического искусства. В кино актер дебютировал маленькой ролью в 1990 году, а вскоре после окончания учебы, благодаря сценической работа в постановке Любовь под вязами, он получил первую большую роль Тони в приключенческой картине IP5: Остров толстокожих, где его партнером стал...