Après avoir étudié brièvement l'Allemand et l'Histoire à l'Université de Berlin, Martina Gedeck suit finalement des cours d'art dramatique à l'Académie des Arts de 1982 à 1986. Elle fait ses débuts au théâtre avant de tourner dans de nombreux téléfilms allemands au milieu des années 1980. Elle tourne son premier long-métrage en 1986, intitulé
In der Kälte der Sonne. En 1999, elle joue notamment dans
Levi, garcon juif de
Didi Danquart, puis c'est avec
Chère Martha en 2002 qu'elle commence à se faire remarquer à l'étranger, notamment avec une nomination au Prix de la Meilleure actrice aux European Film Awards.
Mais ce n'est qu'en 2005 que le public hexagonal la découvre réellement dans un film français de
Francis Girod,
Un ami parfait. L'année suivante, elle interprète Christiane, la partenaire idéale de Bruno en quête perpétuelle de plaisir sexuel dans
Les Particules élémentaires, adaptation du roman de
Michel Houellebecq. Début 2007, le succès de
La Vie des autres, Oscar du Meilleur film étranger, lui procure une renommée mondiale, comme en témoigne sa participation à
Raisons d'Etat de
Robert De Niro.
Les années 2008 et 2009 sont l'occasion d'un retour aux sources pour l'actrice. On la retrouve tout d'abord dans
La Bande à Baader, drame réalisé par
Uli Edel. Elle y incarne une jeune journaliste révolutionnaire et réfractaire au pouvoir politique en place. En 2009, elle tient le rôle titre de la comédie allemande
Comme il faut.
Martina Gedeck partage sa vie avec l'acteur allemand
Ulrich Wildgruber jusqu'à la mort de ce dernier en 1999. A ce jour, elle est la compagne de
Markus Imboden, réalisateur allemand qui a majoritairement travaillé pour la télévision.