Originaire de Nouvelle-Zélande, Martin Campbell quitte rapidement l'Océanie pour s'installer en Grande-Bretagne au milieu des années 60. Il débute sa carrière comme caméraman de télévision puis se lance dans le cinéma pendant les années 1970, en réalisant quelques comédies et films érotiques (The Sex thief, Three for all et Eskimo Nell) et en officiant comme producteur.

C'est à la télévision que Martin Campbell connaît son premier succès public, en réalisant plusieurs épisodes de la série policière Les Professionnels, en 1977. Il enchaîne avec d'autres séries, presque toujours synonymes de succès, comme Reilly: Ace of Spies ou la mini-série Edge of Darkness, réalisée en 1986 pour la BBC. Couronnée de plusieurs prix dont six BAFTA Awards, celle-ci lui ouvre les portes d'Hollywood.

Après avoir signé le thriller La Loi criminelle (1988), Martin Campbell réalise Sans aucune défense, un drame psychologique avec Barbara Hershey. En 1994, avec Absolom 2022, il revient aux films d'action et envoie Ray Liotta dans une prison futuriste, mais c'est un an plus tard qu'il gagne ses galons de metteur en scène lorsqu'il est choisi pour réaliser GoldenEye et relancer la saga James Bond avec Pierce Brosnan en agent 007. Fort de ce succès, il relance un autre mythe, celui de Zorro en réalisant Le Masque de Zorro, avec Antonio Banderas en justicier masqué. A l'aube du nouveau millénaire, il signe Vertical Limit, un film d'action pur. Seul le drame sur fond d'humanitaire Sans frontière (2003) avec Angelina Jolie et Clive Owen, échappe finalement à la règle de son cinéma d'action. Mais après l’échec du film, resté par ailleurs inédit dans les salles françaises, il décide de collaborer à nouveau avec Antonio Banderas pour la suite des aventures de Zorro, La Légende de Zorro.

La consécration arrive en 2005, lorsqu'il est choisi pour réaliser Casino Royale et relancer, une nouvelle fois, la saga James Bond. Le film est un énorme succès critique et public, et fait de Daniel Craig, le nouveau 007, une véritable star. Pourtant, malgré les accolades, Martin Campbell choisit de ne pas rempiler pour un nouvel épisode et décide de mettre en scène Mel Gibson dans le thriller Hors de contrôle.

En 2011, il s'essaie pour la première fois au film de super-héros avec Green Lantern, l’adaptation du célèbre comic-book américain avec dans le rôle titre Ryan Reynolds.