Narozen v Poličce, zemřel v Liestalu u Basileje. Od šesti let se učil hře na housle a od patnácti let veřejně vystupoval na místních večírcích. Již v deseti letech se pokoušel o kompozici. Jako žák houslové, posléze varhanní hry na pražské konzervatoři (1906–1910) ovšem příliš neprospíval a v červnu 1910 byl z konzervatoře pro "nenapravitelnou nedbalost" vyloučen. V roce 1912 se mu však přece jen podařilo složit státní zkoušku ze hry na housle a stal se druhým houslistou České filharmonie.

Vlastní kompoziční pokusy ho ale lákat nepřestaly. Během 1. světové války odešel do Poličky, kde působil jako učitel houslí. V lednu 1919 byla Českou filharmonií a za účasti prezidenta republiky provedena jeho tradicionalisticky pojatá vlastenecká kantáta Česká rapsodie. Na podzim roku 1920 byl opět přijat do České filharmonie. V létě 1924 složil přelomovou skladbu svého uměleckého vývoje, symfonickou větu Half-time (Poločas). Koncem 20. let se v jeho tvorbě nakrátko objevily jazzové prvky a dadaistické podněty a po nich se jako silný inspirační zdroj prosadila česká lidová píseň a lidové zvyky (baletní pásmo Špalíček, operní cyklus Hry o Marii). Komika a tradice lidového divadla se spojily u jednoaktové rozhlasové opery Veselohra na mostě, tradice komedie dell'arte, pařížské pantomimy a českého lidového divadla se prolínají v jeho opeře Divadlo za bránou. Trvalý ohlas má i opera Julietta, jejíž premiéra se uskutečnila 16. 3. 1938 v Národním divadle.

Před nacisty se zachránil v roce 1940 útěkem do jižní Francie, odkud se svou francouzskou chotí uprchl v březnu 1941 přes Lisabon do USA. Teprve zde začal komponovat symfonie. Martinů zůstal v USA do roku 1953, od května 1953 pobýval opět ve Francii, tentokrát jako stipendista newyorské Guggenheimovy nadace. Poslední léta svého života prožil ve Švýcarsku jako host mecenáše a hudebníka Paula Sachera. Jeho ostatky byly převezeny do rodné Poličky v roce 1979. Pohřben je na Hřbitově u sv. Michala (odd. XIII), Polička.