Hermano menor del actor Olivier Martinez, Vincent da sus primeros pasos en el cine en 1998 en L’école de la chair, en donde recibió el apoyo de los actores Isabelle Huppert y Vincent Lindon. Sus prometedores inicios le permitieron recibir ofertas para interpretar papeles junto a los más grandes actores franceses. En 2000, se incorpora al casting de La confusion des genres con Pascal Greggory, confirmado actor a quien volverá a encontrar al año siguiente en Un ange, película que cuenta también con las actuaciones de Richard Berry y Elsa Zylberstein.
Más tarde, Vincent Martinez filma Blanche de Bernie Bonvoisin y Le clan de Gaël Morel. Después actúa en varias películas consecutivas, empezando en 2005 con Cavalcade de Steve Suissa, La trahison de Régis Faucon y Ecorchés de Cheyenne Carron. Esta última llegará a las pantallas francesas en 2007.
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