Étienne Martin suit de 1929 à 1933 les cours de l'École nationale supérieure des beaux-arts de Lyon où il rencontre en 1929 Jean Bertholle. En 1930 il fait la connaissance de Marcel Michaud. Il vient à Paris en 1934, travaillant dans l'atelier de Charles Malfray à l'Académie Ranson où il se lie avec les peintres Roger Bissière, Jean Le Moal, Alfred Manessier, Zelman, Véra Pagava et le sculpteur François Stahly. Il fait avec eux partie du groupe Témoignage, animé à Lyon parMarcel Michaud à partir de 1936, qui expose à Paris en 1938 et 1939.
Mobilisé, Étienne Martin est prisonnier en Allemagne et libéré en 1941. Il séjourne en 1942 à Oppède avec Stahly et Zelman dans la communauté animée par l'architecte Bernard Zehrfuss puis en 1943-1944 à Dieulefit (Drôme) où il se lie avec l'écrivain Henri-Pierre Roché1. Il s'installe ensuite à Mortagne-au-Perche en Normandie. De retour à Paris en 1947 il vit chez Roché, rencontre Brancusi et Gurdjieff, dont il fréquente la mouvance durant une dizaine d'années, pratiquant des exercices spirituels, avec référence à l'Orient et au taoïsme.
Étienne Martin commence en 1954 la série des Demeures qui l'ont rendu célèbre et reçoit en 1966 le grand prix de sculpture à la 33e Biennale de Venise. Il est professeur de 1968 à 1983 à l'École nationale supérieure des beaux-arts de Paris pour la sculpture monumentale. Il est élu en 1971 à l'Académie des beaux-arts.
En 1984, une exposition de l'ensemble de ses Demeures est présentée au Centre Pompidou à Paris. Une exposition lui est consacré en 1996 à la Fondation de Coubertin (Saint-Rémy-lès-Chevreuse, Yvelines). De nouveau, en 2010 (juin à septembre), une exposition est présentée au Centre Pompidou2, hommage rendu à l'artiste à travers la présentation d'un ensemble de quinze sculptures, des dessins, des carnets personnels et des photographies de son atelier. Elle a ensuite été montrée à Vannes au musée de la Cohue (juin 2011 - septembre 2011) dans le cadre du programme « centre Georges Pompidou hors-les-murs ». D'octobre 2011 à janvier 2012, la première rétrospective de l'artiste est présentée à travers une exposition est présentée au musée des Beaux-Arts de Lyon3.
Il est inhumé dans la 13e division au Cimetière du Père-Lachaise. Sa seconde épouse née Marie-Thérèse Le Balch est décédée le 24 juin 2014 à Ivry-sur-Seine à l'âge de 99 ans.
Dans les années 1970, alors qu’il est un artiste reconnu mais sans galerie, Artcurial, fondée par L’Oréal, entreprend de le défendre, lui consacrant sept expositions personnelles de 1977 à 1992 et reprenant l’édition des bronzes, à la fois sauvegarde et diffusion de l’œuvre. Le don de quinze sculptures par L’Oréal témoigne de cette aventure. Divers par les formats et les matériaux, cet ensemble couvre la quasi-totalité de la carrière du sculpteur et illustre les grandes séries qui structurent sa démarche