San Martin nació en Todi, ciudad de Umbría, y se distinguió entre el clero de Roma por su santidad y saber. Era diácono cuando el papa Teodoro I le envió como «apocrisarius» o nuncio, a Constantinopla. En julio del año 649, a la muerte de Teodoro, fue elegido para sucederle en el pontificado. En octubre del año siguiente, reunió un Concilio en Letrán contra los que negaban que Cristo hubiese tenido voluntad humana (los monotelitas). Dicho Concilio formuló la doctrina ortodoxa de las dos voluntades y anatematizó la herejía monotelita. También censuró dos edictos imperiales: la «Ektesis» de Heraclio y el «Typos» de Constante; el primero, porque contenía una exposición de la fe que favorecía a los monotelitas y el segundo, porque imponía silencio sobre la cuestión de las dos voluntades a ambas partes. Los Padres del Concilio de Letrán hicieron la siguiente declaración, que parece una cita del papa Honorio I, aunque no se menciona su nombre: «El Señor nos ha mandado hacer el bien y condenar el mal, pero no desarraigar el bien y el mal por igual. No podemos condenar por igual el error y la verdad». Los decretos del Concilio fueron promulgados en todo el Oriente y el Occidente. San Martín I exhortó a los obispos de África, España e Inglaterra, a acabar con el monotelismo, y nombró en el Oriente un vicario para que pusiese en vigor las decisiones conciliares en los patriarcados de Antioquía y Jerusalén.
Ello molestó al emperador Constante II, quien ya antes había enviado a Roma a un exarca para que sembrase la disensión entre los obispos que asistían al Concilio. Como la misión del exarca hubiese fracasado, Constante envió a Teodoro Kalíopes a Roma con orden de llevar al papa a Constantinopla. El papa, que estaba entonces enfermo, se refugió en la basílica de Letrán. Cuando Kalíopes y sus soldados irrumpieron en la basílica, le hallaron recostado frente al altar. El Pontífice no opuso resistencia alguna. Kalíopes le sacó secretamente de Roma y le obligó a embarcarse en Porto. Durante el viaje, que fue muy largo, san Martín estuvo muy enfermo de disentería. En el otoño del año 653, llegó a Constantinopla, donde estuvo prisionero tres meses. Por entonces escribió en una carta: «No se me ha permitido lavarme, ni siquiera con agua fría, desde hace cuarenta y siete días. Estoy deshecho, aterido de frío y la disentería no me deja reposo ... La comida que me dan me hace daño. Espero que Dios, que lo sabe todo, moverá a mis perseguidores al arrepentimiento después de mi muerte». El senado, ante el cual compareció el pontífice, acusado de traición, le condenó sin haberse dignado oírle. Como san Martín lo hizo notar a sus acusadores, la verdadera causa de su condenación era el haberse negado a firmar el «Typos». Tras haber sido maltratado y envilecido en público, cosa que provocó la indignación del pueblo, san Martín pasó otros tres meses en la prisión. Finalmente, consiguió escapar con vida, gracias a la intercesión del patriarca Pablo en su lecho de muerte y, en abril del año 654, fue desterrado a Kherson, en Crimea.
El pontífice escribió un relato sobre el hambre que reinaba en la región, la dificultad para conseguir alimentos, la barbarie de los habitantes y la negligencia con que le trataban:
«Estoy sorprendido de la indiferencia de quienes, habiéndome conocido antes, me han olvidado tan totalmente, que ni siquiera parecen saber que todavía existo. Más me sorprende todavía la indiferencia con que los miembros de la iglesia de San Pedro consideran la suerte de uno de sus hermanos. Si dicha iglesia no tiene dinero, no carece ciertamente de grano, aceite y otras provisiones, de las que podría enviarnos una pequeña cantidad. ¿Cómo es posible que el miedo impida a tantas gentes cumplir el mandato del Señor de socorrer a los necesitados? ¿Acaso he dado muestras de ser un enemigo de la Iglesia universal o de ellos en particular? Como quiera que sea, ruego a Dios, por la intercesión de san Pedro, que los conserve firmes e inconmovibles en la verdadera fe. En cuanto a mi pobre cuerpo, Dios se encargará de cuidarlo. Dios está conmigo, ¿por qué voy a preocuparme? Espero en su misericordia que no prolongará mucho tiempo mi vida.»
El deseo de san Martín se cumplió, ya que murió unos dos años después. Fue el último pontífice mártir. Después de la última reforma litúrgica, la celebración fue trasladada en Occidente al 13 de abril. En el Oriente se celebra en diferentes fechas. La liturgia bizantina le llama «glorioso defensor de la verdadera fe» y «ornato de la divina cátedra de Pedro». Un contemporáneo de san Martín I le describió como hombre de gran inteligencia, saber y caridad.
La principal fuente son las cartas del propio santo, aunque no todas han llegado hasta nosotros en forma satisfactoria. Hay también un relato de un contemporáneo (véase la edición de Duchesne del Liber Pontificalis, vol. I, pp. 336 ss., con sus admirables notas), y la Commemoratio, que es una narración escrita por uno de los clérigos que acompañaron al papa al destierro. Este último documento y las cartas del Pontífice pueden verse en Migne, PL., vols. LXXXVII y CXXIX. La vida de san Eligio escrita por san Ouen, y la biografía griega de san Máximo el Confesor aportan algunos detalles. Basándose en estos documentos, Mons. Duchesne reconstruyó en forma bastante completa la historia del pontificado de Martín I: Lives of the Popes, vol. I, pte. I, pp. 385-405 (1902); pero desde entonces se han hecho valiosos estudios sobre el tema, entre los cuales hay que mencionar la publicación hecha por el P. P. Peeters de una biografía inédita del santo en griego (Analecta Bollandiana, vol. LI, 1933, pp. 225-262). Véase también R. Devreesse, La vie de St Maxime le Confesseur, en Analecta Bollandiana, vol. XLVI, 1928, pp. 5-49, y vol. LIII, 1935, pp. 49 ss.; W. Peitz, en Historisches Jahrbuch, vol. XXXVIII (1917), pp. 213-236 y 428-458; Duchesne, L'Eglie au Véme. siécle, (1925), pp. 445-453; E. Amann, en Dictionnaire de Théologie Catholique, vol. X cc. 182-194, etc.