Né vers l’an 600, dans les environs de Todi, en Ombrie, il fut ordonné diacre à Rome avant d’être nommé apocrisiaire (légat du pape) à Constantinople, charge qu’il occupa jusqu’au 5 juillet 649, date à laquelle il fut élu pape après la mort de Théodore Ier. Il devint ainsi le 74e pape de l’Eglise.

Lors de son élection, l’Eglise était en pleine crise avec l’hérésie monothéliste qui, reconnaissant les deux natures du Christ, lui refusait une volonté humaine, et était la doctrine reconnue officiellement par l’Empire byzantin. Martin convoqua un concile à la basilique Saint-Jean-de-Latran, qui condamna le monothélisme.

Furieux de voir son autorité remise en question, l’empereur Constant II chargea l’exarque de Ravenne Olympios d’arrêter le pape. Pourtant, Olympios, face à la résistance de la population, se rangea du côté du pape et se fit même proclamer empereur ; il mourut toutefois de la peste en 652.

Le nouvel exarque, Théodore Ier Calliopas, fit arrêter Martin Ier le 17 juin 653. Accusé de haute trahison, il fut traduit en justice à Byzance, il fut condamné à mort et enfermé dans une prison où il fut traité comme le pire des criminels. Sa peine fut toutefois commuée en exil perpétuel : il fut déporté à Chersonèse (Crimée) en avril 654.

Le 10 août 654, alors qu’il était encore en vie, son successeur, saint Eugène Ier, fut élu et, pour que l’Eglise ne restât pas sans chef, il semble que Martin reconnut l’élection. Martin mourut des mauvais traitements subis en détention, probablement le 16 septembre 655 ; il est le dernier pape reconnu comme martyr.