Estudante de filosofia na California State University em Long Beach, Steve Martin está destinado a ensinar essa disciplina. Em 1967, ele descobriu o mundo da televisão ao assinar os roteiros da série The Smothers Brothers Comedy Hour, que imediatamente lhe rendeu um prêmio Emmy. É ainda na telinha que o neo-comediante se revela com participações recorrentes no famoso programa de comédia Saturday Night Live, do qual se tornou um dos pilares da década de 70.

Em 1978, Steve Martin descobriu o cinema com um papel secundário no musical The Sergeant Pepper's lonely hearts band. No ano seguinte, ele se firmou definitivamente no registro de quadrinhos ao combinar os papéis em Un Vrai schnock! por Carl Reiner. Depois de um desvio pelo drama (Dinheiro do Céu, que lhe rendeu sua primeira indicação ao Globo de Ouro), o ator encontra Carl Reiner e o sorriso com Cliente Morto Não Paga (1982) e O Médico Erótico (1983), um filme que escreveu e no qual revelou a extensão de seu senso de comédia maluca. Com Um Espírito Baixou em Mim (1984), ainda assinado por Carl Reiner, e Roxanne (1987), Steve Martin conquistou definitivamente o coração dos espectadores e da crítica.

Na década de 1990, o ator continuou a trabalhar quase exclusivamente na comédia e teve grande sucesso de público com O Pai da Noiva (1991) e sua sequência (1995). Ele também é ilustrado em Spitting Image of a Model Family de Ron Howard e Make Home de Frank Oz, para quem já havia filmado The Little Shop of Horrors e The Most Rogue of the Two, enquanto fazia uma passagem notável pelo drama com Grand Canyon por Lawrence Kasdan. Depois de participar do golpe O Prisioneiro Espanhol em 1997, ele co-estrelou Bowfinger, Rei de Hollywood (1999), dirigido por seu amigo Frank Oz, com outro tenor da comédia americana, Eddie Murphy.

Em 2003, Steve Martin apareceu nos créditos do sucesso surpresa do Bronx em Bel Air, depois foi aclamado pelo público com Doze é Demais (2003), grande sucesso de bilheteria americana, e sua sequência (2005). Decididamente fiel à comédia, ele sucedeu no mesmo ano a Peter Sellers na pele do desajeitado inspetor Jacques Clouseau de A Pantera Cor-de-Rosa: um personagem de culto que encontrou três anos depois. Em 2009, ele discutiu com Alec Baldwin sobre os favores de Meryl Streep na comédia romântica de Nancy Meyers, Simplesmente Complicado. Após três anos longe dos sets, Steve Martin voltou ao cinema em 2011 com O Grande Ano, uma nova comédia maluca em que interpreta Jack Black e Owen Wilson.

Martin voltou de novo no ano de 2015, para dublar ao lado de Jim Parsons e Rihanna no filme Cada Um Na Sua Casa. Seus próximos anos foram marcadas de participações especiais em séries e filmes, principalmente nas produções de streamings. 

Em 2021, Steve Martin volta de jeito com a série Only Murders In The Building, produzida pela Hulu e no catálogo da HBO MAX. Junto à ele, também estão Selena Gomez e Martin Short, também produtores executivos da série que já foi confirmada para uma segunda temporada. Ele e Martin Short foram nomeados para um Globo de Ouro para Melhor Ator em Série de Comédia/Musical.