Fondatore del gruppo Falso Movimento e Teatri Uniti, Martone è regista e sceneggiatore cinematografico cresciuto grazie al teatro. Ha infatti sperimentato diverse forme d'espressione fino al debutto nel lungometraggio con Morte di un matematico napoletano (1992). La consacrazione come regista arriva nel 1995 con L'amore molesto, tratto dal romanzo omonimo di Elena Ferrante e vincitore del David di Donatello. Tra le altre pellicole si ricordano L'odore del sangue (2004), tratto dal romanzo di G. Parise; il documentario Caravaggio, l'ultimo tempo (2004); Noi credevamo (2010, David di Donatello come miglior film nel 2011); Il giovane favoloso (2014), presentato al Festival di Venezia. Già direttore del Teatro Stabile di Roma (1998-2000), negli ultimi anni si è dedicato anche alla messa in scena di numerose opere liriche.