Martin stammt aus einer Familie von Baptisten. Nach dem Abschluss der Garden Grove High School im Jahr 1963 studierte er an der California State University einige Semester Philosophie und Theaterwissenschaften. Nebenbei arbeitete er im „Magic Shop“ von Disneyland, wo er seine Fähigkeiten im Jonglieren, Zaubern, Banjospielen und Ballontiere-Formen entwickelte. Ende der 1960er Jahre schrieb er sein erstes Bühnenprogramm, mit dem er durch zahlreiche kleinere Clubs in Los Angeles tourte.
Martin machte sich in der Branche schnell einen Namen. Bereits 1969 gewann er als Autor der Smothers Brothers Comedy Hour einen Emmy. 1971 war er festes Ensemblemitglied der Sonny & Cher Show. Mit zahlreichen Auftritten in der Tonight Show mit Johnny Carson wurde er einem breiten Publikum bekannt. Dass er in dem Bruce-Lee-Film Todesgrüße aus Shanghai sein Leinwanddebüt gegeben haben soll, ist eine verbreitete Legende. Tatsächlich sieht ihm ein Polizist in diesem Film nur sehr ähnlich.
2001 und 2003 moderierte er die Oscarverleihung und wurde dafür für mehrere Emmys nominiert. Auch als Autor ist Martin nach wie vor aktiv. Das Theaterstück Picasso at the Lapin Agile wurde 1993 in Chicago uraufgeführt und verfilmt. Seine Bücher, die Kurzgeschichtensammlung Pure Drivel und der Roman Shopgirl (2005 verfilmt), waren Ende der 1990er ebenfalls sehr erfolgreich. 2003 spielte er die Rolle als Vater von zwölf Kindern in Im Dutzend billiger. 2005 übernahm Steve Martin in einer Neuverfilmung von Der rosarote Panther die Rolle des Inspektor Clouseau und spielte erneut den Vater in Im Dutzend billiger 2.
Von 1986 bis 1994 war er mit der Schauspielerin Victoria Tennant verheiratet. Am 28. Juli 2007 heiratete er die Journalistin Anne Stringfield, mit der er seit Dezember 2012 eine Tochter hat.
2010 erhielt er den Grammy in der Kategorie Bestes Bluegrass-Album für The Crow / New Songs for the Five-String Banjo. Im selben Jahr wurde er in die American Academy of Arts and Sciences gewählt.
Am 7. März 2010 führte Martin zusammen mit Alec Baldwin im Kodak Theatre noch einmal durch die Oscarverleihung. 2014 erhielt er den Ehrenoscar für sein Lebenswerk.
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