1992년 장 자크 베네 감독의 에서 이브 몽땅과 함께 호흡을 맞추고, TV 드라마 로 세자르상 신인남우상을 수상하며 주목을 받기 시작한다. 1995년 에서 줄리엣 비노쉬의 상대역을 맡아 국제적인 주목을 받기 시작한 그는 이후 , , 등의 작품에 출연하며 연기력을 쌓아갔다.

애드리안 라인 감독의 2002년 작 에서 다이안 레인의 연인역을 맡아 영화팬들의 뇌리에 깊은 인상을 남긴 올리비에 마르티네즈는 2003년 여름 흥행대작 에 출연하였다. 2004년 안젤리나 졸리 주연의 스릴러물 에서는 조셉 빠께뜨 역을 맡아 좋은 연기를 펼쳤다.