Martin Sheen (Ramón Estévez) nació en Dayton (Ohio) y es hijo de padre español, Francisco Estévez (nacido en Parderrubias, Salceda de Caselas, Galicia) y madre irlandesa, Mary Anne Phelan (nacida en el Condado de Tipperary). Es el séptimo de los diez hijos de la pareja. Eligió su nombre artístico como homenaje al obispo de Nueva York Fulton J. Sheen. Es el padre del director y guionista Emilio Estévez y del actor Charlie Sheen.

Sheen siempre quiso ser actor a pesar de la oposición de su padre y decidió empezar su carrera en los teatros de la ciudad de Nueva York, donde formó una compañía junto con otros actores.

Su primer gran papel fue en la obra de teatro de Broadway The Subject Was Roses, papel que repitió en la adaptación al cine de dicha obra en 1968. Su siguiente papel importante le llegó en 1973 cuando protagonizó junto con Sissy Spacek el drama Malas tierras dirigido por Terrence Malick.

En 1974, Sheen consiguió una nominación a los Premios Emmy como mejor actor en una drama televisivo por su interpretación del soldado Eddie Slovik en el telefilme La ejecución del soldado Slovik. Fue esa actuación la que llevó a Francis Ford Coppola a elegirle para el papel protagonista de Apocalypse Now con el que consiguió ser ampliamente conocido. Durante la filmación de la película Sheen sufrió un ataque al corazón en el que se le aplicó la extremaunción pero, increiblemente se recuperó y terminó con su magistral interpretación.

Martin Sheen tiene en su haber seis nominaciones a los Premios Emmy como actor protagonista de drama por su papel en El ala oeste de la Casa Blanca, por el que consiguió un Globo de oro como mejor actor protagonista en una serie dramática para la TV, así como dos premios SAG como actor protagonista y otro dos como integrante del reparto de la serie. Sheen tiene una estrella con su nombre en el Paseo de la fama de Hollywood.