Nach dem Studium der mittelalterlichen Geschichte und Klassischen Philologie und der Promotion an der Universität Bonn trat Martina Hartmann als wissenschaftliche Mitarbeiterin bei den Monumenta Germaniae Historica (MGH) in München ein, wo sie neben ihrer Forschung in der Redaktion des Deutschen Archivs für Erforschung des Mittelalters arbeitete. Die Habilitation erfolgte 2000 an der Universität Regensburg, die Umhabilitation an die Universität Heidelberg 2001. 2012 wurde Hartmann zur Stellvertreterin des Präsidenten der MGH berufen, 2018 selbst zur Präsidentin der MGH gewählt; außerdem ist sie seit 2011 außerplanmäßige Professorin für mittelalterliche Geschichte an der LMU München. Zu ihren Forschungsschwerpunkten zählen neben der mittelalterlichen Geschichte historische Grundwissenschaften, Editionswissenschaft, Wissenschaftsgeschichte vom 16. bis zum 20. Jahrhundert und Gender Studies.
