Der in Neuseeland geborene Martin Henderson begann im Alter von dreizehn Jahren zu schauspielern und war in einer kleinen Rolle in der neuseeländischen Seifenoper Strangers zu sehen.
Von 1992-95 spielte Henderson in der neuseeländischen Krankenhaus-Soap Shortland Street mit. 1996 übernahm er eine Hauptrolle in der australischen Dramaserie Sweat, die jedoch noch für eine Staffel lief. Im Anschluss sah man ihn in einigen Episoden der Soap Home and Away. Doch schnell ergatterte der Darsteller erneut eine Serienhauptrolle in der Dramaserie um eine kleine Fluggesellschaft, Big Sky (1997-1999) Für seine Leistung im australischen Drama Kick (1999) wurde er für den AFI Award nominiert.
Um eine Filmkarriere in Hollywood zu starten verließ Martin Henderson schließlich Australien und absolvierte eine Schauspielausbildung am Neighborhood Playhouse in New York City. Es sollte eine Weile dauern bis er eine Rolle erhalten sollte. 2001 besetzte John Woo ihn für seinen Kriegsfilm Windtalkers. Gleich im Anschluss sah man Henderson neben Naomi Watts im erfolgreichen Horrorfilm „The Ring“ (2002). Neben Ice Cube und Jaime Pressly spielte er 2003 in Torque die Hauptrolle des Bikers Cary Ford. Seine nächste Filmhauptrolle übernahm Martin Henderson 2004 im Bollywood-Musical „Bride & Prejudice“, in dem auch Naveen Andrews zu sehen war. Es folgte das australische Drama Little Fish an der Seite von Cate Blanchett und Sam Neill und der Abenteuerfilm „Flyboys“ (2006) mit James Franco.
Im Actiondrama Smokin' Aces spielte Henderson 2006 neben zahlreichen bekannten Darstellern, wie Ryan Reynolds und Ben Affleck in einer Nebenrolle. 2009 übernahm nach mehreren Jahren als Filmschauspieler seine erste Fernsehrolle als Gast in der Medizinerserie House. In der Shonda Rhimes-Serie Off the Map sollte er 2011 schließlich selbst zum Fernseharzt in einer Hauptrolle werden, doch die Serie über ein Dschungel-Krankenhaus wurde nach einer kurzen Staffel abgesetzt.
2012 trat er in Rake auf, im Jahr darauf spielte Henderson im Kriminaldrama „Devil's Knot“ an der Seite von Reese Witherspoon und Colin Firth. Seine nächste Serienhauptrolle erhielt der Darsteller in der australischen Krimiserie Secrets & Lies. In SundanceTVs Dramaserie The Red Road spielte er 2014-2015 die Hauptrolle des Polizisten Harold Jensen.
Im Abenteuerfilm „Everest“ ist Martin Henderson 2015 zu sehen. Außerdem erhielt er eine Hauptrolle in Grey's Anatomy, wo er erneut zum Arzt wird.
In der Netflix-Romanadaption Virgin River spielt der Darsteller seit 2019 die Hauptrolle des Barbesitzers Jack.