Né à Auckland, en Nouvelle-Zélande, Martin Henderson commence très tôt sa carrière d'acteur. En 1995, il déménage en Australie et passe des castings. A cette époque, il se lie d'amitié avec Heath Ledger, avec qui il vit en colocation. Il se fait d'abord connaître dans diverses séries, comme par exemple Echo Point, Sweat et Big Sky. Puis, il déménage aux États-Unis pour poursuivre sa carrière à Hollywood et décroche des rôles au cinéma.
Ainsi, durant les années 2000, Martin incarne le journaliste enquêtant aux côtés de Naomi Watts dans l’horrifique Le Cercle, un soldat dans le film de guerre de Windtalkers : Les Messagers du vent, le personnage principal du Fast and Furious à moto Torque, William Darcy, le héros du roman de Jane Austen Orgueil et Préjugés dans son adaptation contemporaine Coup de foudre à Bollywood, et à nouveau un militaire dans Flyboys.
Dès les années 2010, l'acteur apparaît dans Les 3 Crimes de West Memphis, Everest et deux films d'horreur : The Strangers 2, où il campe la première victime, et X, dans lequel il interprète un producteur de films pornographiques. Privilégiant le petit écran, il joue dans les séries Off the Map, Secrets and Lies, The Red Road et surtout rejoint le casting de Grey's Anatomy en 2015, où il incarne le chirurgien cardio-thoracique Nathan Riggs.
En 2019, Martin trouve un autre rôle crucial dans sa carrière, celui Jack Sheridan, un vétéran de l'armée qui est le patron taciturne et serviable du bar local de Virgin River, une série romantique diffusée sur Netflix. Il joue parallèlement dans The Gloaming, My Life is Murder et Madam.
Laurent Schenck