Après le lycée, Martin Provost quitte la province pour devenir comédien à Paris. Il joue dans de nombreuses pièces de théâtre et fait quelques apparitions au cinéma, comme dans Nea de Nelly Kaplan, ou dans un registre totalement différent La Zizanie de Claude Zidi. Au début des années 1980, il monte pour la première fois l'une de ses pièces, Le voyage immobile, avant d'entrer comme stagiaire puis pensionnaire à la Comédie Française. Il y reste pendant six années. En 1989, il tient un rôle secondaire dans Pentimento de Tonie Marshall. Trois ans plus tard, sa seconde pièce, Les Poupées, est montée à Avignon puis à Paris. 

Martin Provost décide de relancer sa carrière au cinéma en réalisant deux courts métrages. En 1997, il passe au long avec Tortilla Y cinema, une comédie qui prend pour cadre le tournage d'un film dans un appartement bourgeois du XVIème arrondissement parisien, déserté par ses propriétaires. En 2002, il écrit et réalise Le Ventre de Juliette, un long-métrage qui aborde le thème de la relation parent/enfant à travers l'histoire d'une adolescente, abandonnée par son père, qui tombe enceinte. Cinq ans plus tard, Martin Provost revient à la réalisation en mettant en scène Séraphine avec Yolande Moreau. C'est la consécration : le film remporte sept César, dont celui du Meilleur film et de la Meilleure actrice.

Le réalisateur retrouve justement son actrice deux ans plus tard dans Où va la nuit, l'histoire d'une femme qui assassine son mari pour retrouver sa liberté. Martin Provost fait des portraits de femmes son motif récurrent ; il dirige ensuite Emmanuelle Devos et Sandrine Kiberlain dans Violette, l'histoire de l'intense amitié entre Violette Leduc et Simone de Beauvoir dans le Saint-Germain-des-Prés d'après-guerre. En 2017, dans Sage Femme, on retrouve cette fois Catherine Deneuve et Catherine Frot devant la caméra de Martin Provost, qui s'intéresse à la relation hors du commun entre une femme et l'ancienne maîtresse de son père défunt.

Le metteur en scène signe en 2020 La Bonne épouse, une comédie sur l'émancipation des femmes à la fin des années 1960, emmenée par Juliette Binoche, Yolande Moreau et Noémie Lvovsky. Puis, trois ans plus tard, il livre le biopic Bonnard, Pierre et Marthe, centré sur les rapports complexes et houleux entre le célèbre peintre Pierre Bonnard et sa compagne Marthe Bonnard.