C’est à Jackson Heights, dans le Queens, que naît James Martinez le 9 août 1980. Plein d’entrain, trublion de sa classe, il fréquente dès l’âge de 16 ans les comedy club de New York où il joue différents sketchs. C’est à cette époque qu’avec sa troupe de théâtre de lycée, il incarne John Proctor dans The Crucible d’Arthur Miller. C’est la révélation et, son bac en poche, il s’inscrit à la Julliard School of Dramatic Arts.

À vingt-trois ans, il décroche sa première apparition à la télévision dans New York 911. Un an plus tard, l'apprenti comédien joue un petit rôle dans le long-métrage Brother to Brother, remarqué en festivals.

Entre 2006 et 2009, comme de nombreux acteurs, il fait ses débuts en enchaînant les apparitions dans des séries à succès comme Les Feux de l’amour, NCIS, Numb3rs, New York - Police Judiciaire et New York Section criminelle.

Une détermination qui paye en 2010, lorsqu’il décroche un rôle important dans la série Gravity, pour laquelle il tourne dix épisodes. Hélas, sa performance ne suffit pas à lui ouvrir les portes du succès et il poursuit sa route en écumant les castings et les épisodes uniques, à l’image de Breaking Bad (2011) Drop Dead Diva (2013) ou Unforgettable (2014).

En 2015, James Martinez voit la chance lui sourire, puisqu’il tourne dans trois épisodes de la série Aquarius et surtout, joue aux côtés de Liam Neeson dans le long-métrage Night Run. Cela lui confère une réputation plus solide, qui lui permet de se démarquer dans la série Major Crimes.

Toutefois, il faut attendre 2017 pour que la carrière de l’acteur prenne un véritable tournant, lorsqu’il est choisi pour incarner Alex Romero dans la saison 5 de House of Cards. Si le comédien campe souvent les Latinos, notamment dans les trois premières saisons d’Au fil des jours (2017-2019) ou dans Love, Victor (2020-2021), ses prestations sont souvent remarquées.

En 2023, l’acteur partage l’affiche avec Sarah Michelle Gellar dans Wolf Pack, mais qui est annulée au bout d’une saison. Il se rattrape en 2024 avec son interprétation d’Angel Batista dans le prequel de Dexter, Dexter : Les Origines, disponible dès le 6 février 2025 sur Canal +.