Après des études d'art dramatique à Londres, Martin Freeman décide de se lancer dans la comédie en intégrant la "Young Action Theatre Of Teddington", une troupe de théâtre amateur. A partir de 1997, il enchaîne ainsi les apparitions télévisées dans des séries telles que The Bill (1997) et Casualty (1998). Ses nombreuses prestations à la télévision le font peu à peu connaître du grand public, notamment lorsqu’il décroche, en 2001, le rôle de Tim Canterbury dans la série comique The Office.

Alternant les rôles sur grand et petit écran, Martin Freeman explore de nombreux personnages différents les uns des autres : il se met dans la peau d'un rappeur dans Ali G (2002) avant de faire partie du casting de la comédie romantique Love Actually (2003) et de se balader parmi les zombies dans Shaun of the Dead (2004). Il décroche ensuite un rôle dans H2G2 : le guide du voyageur galactique (2005), qui lui permet d’asseoir un peu plus sa notoriété à l'étranger.

Dès lors, il enchaine les rôles au cinéma, en intégrant notamment les castings de Par effraction (2006) et de l'hilarante comédie explosive Hot Fuzz (2007). L'acteur change complètement de style avec La Ronde de nuit de Peter Greenaway, où il incarne le peintre Rembrandt. Il se met ensuite dans la peau d'un arnaqueur sans grand avenir dans Petits meurtres à l'Anglaise (2009) avant de revêtir le costume du docteur Watson dans la série à succès Sherlock (2010).

En 2012, le comédien s'essaye au doublage avec Les Pirates ! Bons à rien, Mauvais en tout, film à l'univers burlesque. Repéré par le cinéaste Peter Jackson, Martin Freeman se voit ensuite proposer le rôle de sa carrière : celui de Bilbo le Hobbit dans la trilogie éponyme, auparavant incarné par Ian Holm dans la saga du Seigneur des anneaux. Pour l'occasion, le natif de Londres joue ce perosnnage dans Un voyage inattendu (2012), La Désolation de Smaug (id.) et La Bataille des Cinq Armées (2014).

Puis, Martin Freeman apparaît dans Le Procès Eichmann, Whiskey Tango Foxtrot, Ghost Stories, The Operative et Ode to Joy. Il intègre même le MCU via le personnage de Everett K. Ross qu'il tient dans Captain America : Civil War, Black Panther et Black Panther: Wakanda Forever. Mais c'est du côté du petit écran et ses séries qu'il trouve ses rôles les plus intéressants, comme en témoignent ses prestations dans Fargo et StartUp. Dans cette dernière, il campe un personnage particulièrement inquiétant.

Se consacrant presque exclusivement aux séries, l'acteur poursuit avec des premiers rôles dans A Confession, The Responder et Breeders.