Setelah lulus dari Universitas Cambridge, ia menekuni kontrol genetika atas pertumbuhan vertebrata. Penelitian PhD-nya yang awal menyebabkannya menjelajahi penggunaan kultur sel indukteratokarsinomatikus dalam sistem kultur jaringan. Ia adalah orang pertama yang memelihara sel tersebut dalam kultur jaringan dalam keadaan di mana kesanggupannya berdiferensiasi dipertahankan secara tak terbatas.
Tak sampai tahun 1981 setelah kembali ke Cambridge, ia bisa mengisolasi sel serupa dari embrio tikus normal. Lantas ia dan koleganya mempertunjukkan bahwa sel-sel tersebut, yang dikenal sebagai sel induk embrionik bisa sepenuhnya digunakan meregenerasikan tikus campuran yang fertil dari sel kultur jaringan dan kemudian bisa menyebabkan mutasi yang diperkenalkan, dipilih, dan ditapis dalam kultur itu. Sekrang ini menjadi dasar bagi semua pukulan tikus dan menuju manipulasi genetik.
Perkembangan mendasar tersebut menciptakan jalur baru untuk genetika mamalia eksperimental dan kemudian genomik fungsional. Sejak saat itu Sir Martin, yang datang ke Fakultas Bioteknologi Cardiff University pada tahun 1999, telah mengeksploitasi pukulan gen dan metode perangkap gen untuk penemuan baru dan menciptakan mode hewani atas penyakit manusia. DAri laboratoriumnya tibalah demonstrasi pertama atas terapi gen untuk menambal kekurangan dalam fibrosis kistik pada hewan dan kini, dan model tikus termutasi, ke dalam fungsi BRCA2, gen kanker payudara.
Sir Martin juga anggota Wales Gene Park – yang telah membawa genetika, ilmu pengetahuan kehidupan, dan pengalaman klinik dari Wales untuk menciptakan pusat baru untuk penelitian skala nasional dan internasional yang mebawarkan fasilitas penelitian, pendidikan, dan eksploitasi komersial.
Ia dianugerahi gelar kebangsawanan pada tahun 2004 untuk pelayanannya dalam ilmu kedokteran. Ia menikah dan memiliki3 anak dan 5 cucu.
