Мартин Шин родился 3 августа 1940 года в Соединенных Штатах Америки. В 19 лет он намеренно проваливается на вступительных экзаменах в Дейтонский университет, чтобы начать актерскую карьеру. Переезжает в Нью-Йорк, работает в театре и на телевидении. В это время он меняет свое настоящее имя Раймон Эстевез на псевдоним Мартин Шин.

В 1967 году он дебютирует в кино в фильме "Инцидент, или Случай в метро".

В 1973 году он играет роль подростка-серийного убийцы в фильме "Опустошенные земли". Этот фильм доказал, что у него прирожденный актерский талант, но роли в большом кино достаются ему невероятно тяжело: Мартин Шин снимается в нескольких телефильмах и только в 1979 году получает роль в фильме Фрэнсиса Форда Копполы "Апокалипсис сегодня". После этой работы он получает всеобщее признание и ему начинают предлагать самые интересные на тот момент роли: репортер в фильме "Ганди" (1982), политик в "Мертвой зоне" (1983), "Уолл-стрит" (1987).

В 90-х годах Мартин Шин продолжает много сниматься, но замечает, что интерес к его ролям постепенно слабеет. В 1999 году ему предложат интересную роль в телесериале "Западное крыло".

В 2006 году он снимается в фильме "Отступники" вместе с Леонардо ДиКаприо, а в фильме "Город на границе" с Дженнифер Лопес.

В ноябре 2010 года он согласился сыграть Бена Паркера в перезапуске «Человека-паука». Мировая премьера фильма состоялась в июне 2012 года.

Шин известен и как общественный деятель, принимающий участие в различных антивоенных акциях протеста и демонстрациях в защиту прав человека, за что неоднократно арестовывался полицией.