Martin Landau nació el 20 de junio de 1928 en Brooklyn, Nueva York. A los 17 años obtuvo su primer trabajo como ilustrador en el New York Daily News.También trabajó para el caricaturista Gus Edson en la tira cómica The Gumps, pero su principal ambición era actuar. En 1951, hizo su debut en el escenario en Detective Story y fuera de Broadway, en First Love.

Landau fue uno de los 2000 solicitantes que audicionaron para ingresar al Actors Studio de Lee Strasberg en 1955; solo él y Steve McQueen fueron aceptados. 

A mediados de la década de 1950, realizó varios trabajos para la televisión Playhouse 90 (1956), Studio One (1948), The Philco Television Playhouse (1948), Kraft Television Theatre (1947), Goodyear Television Playhouse (1951) y Omnibus (1952). Comenzó a hacerse de un nombre después de reemplazar a la estrella Franchot Tone en Uncle Vanya, de Anton Chekhov.

Hizo su debut cinematográfico en La cima de los héroes (1959); se convirtió en el protagonista del clásico de suspenso de Alfred Hitchcock Con la muerte en los talones (1959). También apareció en Cleopatra (1963), la película más cara jamás creada hasta ese momento, catapultó su popularidad.

Landau recibió nominaciones al Emmy como Mejor Actor Principal en una Serie de Drama por cada una de las tres temporadas de Misión: imposible en las que participó. En 1968, ganó el premio Golden Globe como Mejor estrella de televisión masculina.

Landau se mudó a Inglaterra para desempeñar el papel principal en la serie de ciencia-ficción Espacio: 1999 (1975), después de esto su carrera se estancó.

En 1983, participó en películas de ciencia ficción y terror de bajo presupuesto como El ser (1983).

El renacimiento de su carrera comenzó cuando Francis Ford Coppola lo eligió para un importante papel de apoyo en su película Tucker: Un hombre y su sueño (1988), por el cual Landau fue nominado para un Premio de la Academia como Mejor Actor de Reparto y ganó su segundo Golden Globe. Al año siguiente, recibió su segunda nominación consecutiva al Oscar como Mejor Actor de Reparto por su actuación en Crímenes y pecados (1989), de Woody Allen. Interpretó a Bela Lugosi en la biografía Ed Wood (1994), de Tim Burton, lo que le mereció el Oscar al Mejor Actor de Reparto y su tercer Globo de Oro además de los máximos honores del Círculo de Críticos de Cine de Nueva York y la Sociedad Nacional de Críticos de Cine. Recibió su cuarta nominación al Emmy en 2004 como Mejor Actor Invitado en una Serie Dramática por Sin rastro (2002).

Martin Landau fue honrado con su propia estrella en el Paseo de la Fama de Hollywood y falleció el 15 de julio de 2017.