Den hellige Martin I var i følge LP av edel byrd og ble født i Todi i Umbria som sønn av Fabricius. Han ble diakon i Roma og senere sendt som Theodor Is apokrisiar (pavelig ambassadør) til Konstantinopel. Der ble han godt kjent med de ledende personlighetene i byen, og også med den gjeldende monoteletiske lære, at Kristus hadde bare én vilje.
Etter at Theodor I døde den 14. mai 649, ble Martin valgt til ny pave. Han viste straks sin uavhengighet ved å bli konsekrert den 5. juli uten den keiserlige godkjennelse som den gang var nødvendig. Dette gjorde keiser Konstans II (641-68) rasende, og han nektet å anerkjenne Martin som legitim pave.
Selv om Martin var resolutt og modig, lærd og erfaren, er han hovedsakelig kjent for sin kompromissløse motstand mot det monoteletiske kjetteri og for de tragiske følgene dette fikk. Noen måneder etter valget førte paven forsetet på en storslagen synode i Lateranet som forgjengeren Theodor hadde innkalt. Synoden samlet 105 vestlige biskoper, og etter inngående rådslagninger i 5 sesjoner mellom 5. og 31. oktober 649, fordømte den det monoteletiske kjetteri, som hevdet at Kristus hadde to naturer og én vilje. Synoden fordømte også Ekthesis og, med forbløffende dristighet, også det nye keiserlige dekretet Typos, som forbød alle diskusjoner om antall krefter eller viljer i Kristus, selv om synoden ga kreditt til keiser Konstans for gode intensjoner.
Synodens beslutninger ble straks sendt rundt både til øst og vest for underskrift. Martin ekskommuniserte biskop Paulos av Thessaloniki fordi han avviste vedtakene, og han utnevnte en ortodoks apostolisk vikar for Palestina, som da var et støttepunkt for monoteletismen. Han sendte en kopi av avgjørelsene til keiser Konstans med et høflig brev hvor han ble bedt om å forkaste kjetteriet, som paven taktfullt hevdet skyldtes råd fra flere påfølgende patriarker.
Keiser Konstans hadde allerede hørt om dette angrepet på hans religionspolitikk, og det gjorde ham rasende. Han sendte straks sin kammerherre Olympios som eksark (guvernør) til Italia med ordre om å la Martin arrestere og tvinge ham til Konstantinopel. Men dette trekket mislyktes, for Olympios fant snart at paven hadde utbredt støtte. Olympios var ute etter makten i Italia og så på paven som en mulig alliert og kom til en forståelse med ham, angivelig avskrekket etter å ha opplevd et mirakel. Eksarken gjorde til slutt åpent opprør mot keiseren, ikke uten Martins vitende, og under hans beskyttelse kunne paven i tre år rolig utøve sitt embete.
Men situasjonen forandret seg. Olympios dro til Sicilia for å bekjempe muslimske inntrengere, men falt i kamper om Sicilia, og den 17. juni 653 lot den nyutnevnte eksarken, Theodoros Kalliopas, den syke pave Martin arrestere foran alteret i Lateranbasilikaen, hvor han hadde søkt asyl. Eksarken ga geistligheten den keiserlige ordren som erklærte at Martin var gjort til pave ulovlig og derfor var avsatt. Han smuglet paven ut av Roma, og selv om Martin var plaget av smertefull sykdom, ble han satt under bevoktning på et skip som skulle til hovedstaden. Underveis satt han fengslet i lenker på øya Naxos.
Utslått av podagra og dysenteri og brutalt ydmyket kom paven til Konstantinopel den 17. september 653 (ikke 654 som ofte hevdet). Etter tre måneder i isolert fangenskap ble han stilt for retten den 19. desember, så svak at han ikke kunne stå oppreist uten hjelp. Her ble han anklaget for høyforræderi for å ha hjulpet og oppmuntret Olympios i hans sammensvergelse for å ta makten, selv om det egentlig var avvisningen av Typos han skulle straffes for. Men da paven ville ta opp doktrinære spørsmål, ble det avslått som irrelevant. Konsekvent ble Martin ikke behandlet som pave, men som en opprørsk diakon og tidligere apokrisiar. Vitnene som ble ført mot ham var så selvmotsigende at paven vennlig ba om at de måtte slippe å vitne under ed, slik at de slapp å gjøre seg skyldig i mened i tillegg til falskt vitnemål.
Som det for lengst var avgjort, ble paven dømt til døden og offentlig pisket, men etter at den døende patriark Paulos II av Konstantinopel (641 - 27. desember 653) hadde grepet inn, ble dommen omgjort til landsforvisning. Etter ytterligere 85 dager i fengsel under rystende forhold, ble Martin den 26. mars 654 sendt med skip til Kherson (Chersonesos/Chersones) på Krim (ved dagens Sevastopol).
Det som såret Martin mest, var som han selv gjorde det klart i sine levende brev fra eksilet, at han ble oppgitt av den romerske kirken. I brevene, som er bevart, klaget han bittert over sine venner, at de ikke bare unnlot å sende ham hjelp for å lindre hans lidelser, men i strid med hans forventninger og uttrykte ønske, utpekte en etterfølger mens han fortsatt var i live. Under press hadde presteskapet i Roma valgt Eugenius I til ny pave. Til tross for Martins skuffelse abdiserte han ikke, og må derfor regnes som regjerende pave til sin dødsdag. På den andre siden fordømte Martin ikke Eugenius I som motpave, så han på sin side regnes som rettmessig pave fra sitt valg. Martin aksepterte situasjonen og ba om at Gud ville bevare sin kirke i den sanne tro og beskytte dens nye hyrde fra kjetteri og fiender.
Martin døde snart i sitt eksil, den 16. september 655, svekket av hard behandling, kulde, sult, ydmykelse og sykdom. Han ble gravlagt i en kirke der viet til Jomfru Maria. Det var for øvrig i denne perioden man begynte å feire festen for Marias uplettede unnfangelse.
Læren som Martin hadde kjempet og lidd for, triumferte på Det 6. økumeniske Konsil i Konstantinopel (III) i 680-81. Men konsilet kunne ikke rehabilitere ham, fordi det ble holdt under ledelse av Konstans IIs sønn Konstantin IV (668-85), som må ha betraktet Martin som skyldig i høyforræderi.
Men det varte ikke lenge før den romerske kirken begynte å ære ham som martyr (som den hittil siste biskop av Roma). Opprinnelig ble han minnet den 12. november, antakelig årsdagen for overføringen av hans relikvier til S. Martino ai Monti, som er viet til Sylvester og Martin. (Noen steder ble han også minnet den 10. november.) Etter kalenderreformen i 1969 blir han feiret den 13. april, som alltid har vært hans festdag i den greske kirken. Både den greske og den russiske kirken ærer også Martin I som martyr for troen.