Marcin pochodził z włoskiego miasta Todi (w Umbrii). Był synem kapłana Fabrycjusza. Od młodości przebywał w Rzymie i należał do jego hierarchii duchownej. Wyświęcony na diakona, pełnił przez pewien czas funkcję apokryzariusza, czyli jakby nuncjusza papieskiego na dworze cesarza wschodnio-rzymskiego w Konstantynopolu. Po śmierci Teodora I w 649 r. został wybrany papieżem i konsekrowany bez zatwierdzenia cesarza. Otrzymał wówczas święcenia kapłańskie i sakrę biskupią. Konstanty II, dotknięty takim obrotem spraw, odmówił uznania Marcina I za prawowitego papieża.
Marcin I pragnął wyraźnie określić stanowisko Kościoła rzymskiego wobec monoteletów, którzy utrzymywali, że Pan Jezus posiadał tylko jedną wolę - Bożą, a nie miał woli ludzkiej. Zwołał więc - znów bez pytania cesarza - synod w kościele Zbawiciela na Lateranie, w którym wzięło udział 105 biskupów łacińskich i 30 wschodnich z terenów, które zajęli Arabowie. W 20 anatemach potępiono tam uroczyście błędy monoteletów. Wydano równocześnie pismo wyjaśniające, jaka jest prawdziwa nauka katolicka. Dokumenty synodu zostały rozesłane do wszystkich biskupów i całego duchowieństwa chrześcijańskiego, a także do cesarza Konstantyna II.
Cesarz poczytał to jako osobisty atak papieża na jego autorytet i zareagował bardzo gwałtownie. W 650 r. wysłał swojego przedstawiciela, Olimpiusza, egzarchę Rawenny, do Rzymu, by aresztował papieża, a biskupów zmusił do odwołania dekretów synodu. Olimpiusz widząc jednak poparcie, jakim cieszył się papież, zbuntował się przeciw cesarzowi i ratował się ucieczką na Sycylię. Podanie głosi, że gdy Olimpiusz zamierzał w czasie Mszy świętej osobiście dokonać na św. Marcinie porwania, nagle oślepł. Konstantyn II wysłał wówczas z wojskiem drugiego apokryzariusza w osobie Teodora Kalliopy. Aresztował on papieża Marcina 17 czerwca 653 r. i w bardzo ciężkiej i upokarzającej podróży zawiódł go na Naksos, gdzie chory papież spędził w nędzy cały rok. Następnie Marcin został wywieziony do Konstantynopola, gdzie stanął przed sądem senatu. Został oskarżony nie o obronę ortodoksyjności i potępienie Typos (edykt Konstansa II zakazujący dyskusji na temat liczby woli Chrystusa), ale o podżeganie do buntu egzarchy Olimpiusza, wzniecenie rozruchów i bezprawne ogłoszenie się papieżem.
Sąd cesarski skazał papieża na "degradację" ze wszystkich święceń duchownych i funkcji. Skazany na śmierć, został publicznie odarty z szat pontyfikalnych, zakuty w kajdany i poprowadzony przez miasto na miejsce kaźni. Za wstawiennictwem patriarchy Konstantynopola Pawła II karę śmierci zamieniono Marcinowi na dożywotnie zesłanie do Chersonezu na Krym. Zdołał on stamtąd napisać list, w którym skarży się, że nie ma nawet kawałka chleba, ale modli się, by na Stolicy Apostolskiej nie znalazł się heretyk-monoteleta, narzucony przez cesarza. Z powodu nieludzkich warunków papież zmarł z biedy i udręczenia 13 kwietnia 655 r. Pochowano go w miejscowym kościele pod wezwaniem Najświętszej Maryi Panny. Jego grób stał się nawet celem pielgrzymek. Marcin I był ostatnim, którego Kościół wpisał do katalogu świętych papieży i męczenników.

W ikonografii św. Marcin ukazywany jest w papieskim stroju pontyfikalnym z księgą w dłoni.