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.