Étudiant en philosophie et se destinant à enseigner cette discipline, il change brusquement d'orientation pour écrire des textes comiques, puis jouer lui-même des rôles dans ce registre, sans jamais se départir d'un style qui lui est propre, un peu décalé.
Il débute dans le cinéma à l'âge de 33 ans dans le film Sgt. Pepper's Lonely Hearts Club Band en 1978 inspiré par l'album des Beatles du même nom (il retira longtemps ce titre de sa filmographie officielle à cause de l'échec du film).
Son premier grand rôle est, en 1982, celui d'un détective privé ringard dans Les cadavres ne portent pas de costard de Carl Reiner, dont il a écrit le scénario : il s'agit d'un pastiche de vieux films noirs où sont intercalés des extraits de ces classiques qui s'intègrent parfaitement dans la narration d'une intrigue décalée et comique. Une scène célèbre est restée où Steve Martin sermonne Humphrey Bogart (Philip Marlowe) qui a oublié sa cravate. Avec le même réalisateur Steve Martin tournera l'année suivante L'homme aux deux cerveaux.
Il continue dans ce registre comique avec La Petite Boutique des horreurs de Frank Oz (1986), parodie musicale reprenant les poncifs des films d'épouvante et dont il est également scénariste. Viendra l'année suivante Roxanne (1987) très librement inspiré de Cyrano de Bergerac. Il obtient le premier rôle de Portrait craché d'une famille modèle (Ron Howard), Le Père de la mariée 1 & 2 (Charles Shyer) et partage la vedette du film Le plus escroc des deux (Frank Oz) avec le britannique Michael Caine, et de Bowfinger, roi d'Hollywood (toujours de Frank Oz) avec Eddie Murphy.
C'est pourtant dans un autre registre que Steve Martin donnera sa pleine mesure d'acteur : dans le rôle du milliardaire Dell du film La prisonnière espagnole (1998) de David Mamet.
Par la suite, revenant dans le registre comique, il prendra la relève de Peter Sellers en interprétant l'Inspecteur Clouseau dans le remake de La Panthère rose (Shawn Levy, 2005), après les succès Bronx à Bel-Air et Treize à la douzaine (respectivement 132 et 138 millions de dollars au box office américain). Le deuxième volet de La Panthère rose, où il endosse à nouveau le costume de l'inspecteur Clouseau, est sorti sur les écrans en février 2009. Il a connu un échec retentissant, aux Etats-Unis comme en France.
Il importe de noter que Steve Martin est également écrivain. En 1993, il publie "Picasso at the Lapin Agile," une pièce de théâtre qui relate une rencontre imaginaire entre le peintre et Albert Einstein. Trois de ses livres ont déjà été traduits et publiés en France: Mirabelle (Presses de la cité - 2002), Effets indésirables (Buchet/Chastel - 2002) et Un homme de ma trempe (Buchet/Chastel - 2004). Ces trois livres ont obtenu un énorme succès aux États-Unis (500 000 exemplaires vendus de Mirabelle, Shopgirl dans son titre original). Steve Martin a fait paraître son autobiographie, Born standing up, en novembre 2007.
