Né sous le soleil de Santa Monica en Californie en 1982, Martin James Pflieger Schienle, de son vrai nom, est le fils de Jim Schienle et de l’actrice Jean St. James, célèbre pour son apparition dans La Mort vous va si bien de Robert Zemeckis (1992). Très tôt, il décide de marcher dans les pas de sa mère et de se faire un nom à Hollywood. À seulement dix ans, il fait de la figuration dans le film Hero de Stephen Frears, où il joue un garçon dans le coma et dans le film de science-fiction Xtro 3. Mais c’est surtout son rôle principal dans la série Freaks and Geeks en 1999 qui marque pleinement ses débuts.

Malheureusement, la série s’arrête au bout d’une saison et le plonge dans la dépression. Le jeune acteur remonte la pente avec des sitcoms comme Normal, Ohio (2000) et décroche un rôle récurrent dans la troisième saison de Roswell. Mais en 2007, Martin Starr retrouve Judd Apatow, le producteur de Freaks and Geeks, qui lui offre un joli personnage dans la comédie En Cloque.

Après quelques comédies, il obtient des rôles de plus grandes ampleurs dans Adventureland avec Kristen Stewart ou dans le dramatique Good Dick, en compétition au festival Sundance, en 2008. La même année, les grosses productions commencent à s’intéresser à l’acteur, et il marque les esprits dans L’Incroyable Hulk puis dans les trois volets de Spider-Man, Homecoming (2017), Far From Home (2019) et No way home (2021).

Cependant, il n’oublie pas la télévision, où il mène une jolie carrière avec le rôle principal de Silicon Valley (2014 à 2019), et des apparitions dans The Goldbergs (2014), Future Man (2017) ou encore Game of Thrones (2019).

Sur le petit et grand écran, son chemin prend un nouveau tournant en 2022, où il prête sa voix au film Beavis and Butt-Head Do the Universe et joue dans Samaritan avec Silverster Stallone. À la télévision, c'est la consécration, grâce à la série Tulsa King (2022), où il campe le héros. Après There’s Something in the Barn ou Lousy Carter en 2023, tout semble enfin lui sourire. Depuis le 15 septembre 2024, Amazon Prime diffuse la saison 2 de Tulsa King, et, côté vie privé, Martin Starr s’est uni en mai dernier avec le bassiste du groupe Ringo Deathsttarr.