Мартин Хендерсон родился 8 октября 1974 года в городе Оклэнд, Новая Зеландия. Окончил среднюю школу для мальчиков Уэстлейка в Форрест Хилле - пригороде Окленда. Когда мальчику было 13 лет его заметили телевизионные агенты и он начал сниматься на местных телеканалах.
Мартин появился в нескольких телешоу. Наиболее известной его работой стали съемки в мыльной опере «Шортленд-Стрит», где с 1992 года по 1995 год он играл Стюарта Нельсона. За эту роль актер был удостоен Новозеландской Премии Кинематографа и Телевидения в категории «Лучшая мужская роль в драматическом сериале».
В конце 90-х годов Мартин Хендерсон начал появляться на австралийском телевидении, а в 1997 году Хендерсон переезжает в Нью-Йорк, США. Прежде чем начать сниматься в Голливуде, он два года занимался актерскими курсами в профессиональной актерской школе «Neighborhood Playhouse School of the Theatre». Хендерсон провел более года в безуспешных поисках интересных ролей в Лос-Анджелесе. Только в 2001 году он получил заветную роль в фильме Джона Ву «Говорящие с ветром».
Затем актер снялся в фильме ужасов 2002 года «Звонок». На волне успеха он снялся в мелодраме Мэтта Купера «Абсолютные противоположности». Впоследствии актер прошел кастинг на главную роль в фильм Джозефа Кана «Крутящий момент», а в 2005 году в паре со знаменитой индийской актрисой Айшварией Рай снялся в романтической комедии «Невеста и предрассудки».
Далее актер появился в военной драме «Эскадрилья «Лафайетт», австралийской драме «Маленькая рыбка» вместе с Кейт Бланшетт и Хьюго Уивингом и других проектах. Он также появился в нескольких клипах Бритни Спирс, в том числе в ставшем настоящим хитом клипе «Toxic».
В 2007 вышел сериал «Мистер и миссис Смит» с Мартином Хендерсоном и Джорданой Брюстер в главных ролях. В 2009 году он снялся в криминальной драме «Cedar Boys», которая так и не была озвучена на русский язык. В 2011 году вышла военная драма Фреда Скеписи «Последний человек» с участием Хендерсона. С 2015 снимается в сериале АВС «Анатомия страсти» в роли кардиохирурга Нэйтана Риггса.
Самыми известными фильмами с его участием являются «Эскадрилья «Лафайет»», «Невеста и предрассудки», «Звонок», «Чудеса с небес», «Козырные тузы», «Момент», «Узел дьявола», «Эверест», «Незнакомцы: Жестокие игры», а в числе сериалов - «Без координат», «Доктор Хаус», «Анатомия страсти», «Рейк», «Тайна и лож» и другие.