Martina Gedeck, geboren am 14. September 1961 in München, wuchs zunächst in Landshut und ab 1971 in Berlin auf. Bereits als Elfjährige wurde sie fürs Fernsehen entdeckt und trat in der Kinderserie "Die Sendung mit der Maus" sowie in der Jugendsendung "Denkste" auf. Nach dem Abitur nahm sie ein Germanistik- und Geschichtsstudium an der Freien Universität Berlin auf, das sie jedoch nicht beendet. Von Herbst 1982 bis Sommer 1986 absolvierte sie eine Schauspielausbildung an der Hochschule der Künste (Max-Reinhardt-Schule) in Berlin. Schon während dieses Studiums engagierte Pip Simmons sie 1985 für seine Inszenierung von Janusz Glowackis Stück "Aschenkinder" im Frankfurter Theater am Turm. Darin spielte Gedeck eine Insassin einer Besserungsanstalt, die in einem Theaterstück die Rolle des Prinzen übernimmt.

Nach dem Abschluss der Schauspielausbildung erhielt Gedeck zahlreiche Theaterengagements. So war sie unter anderem am Deutschen Schauspielhaus Hamburg, dem Schauspielhaus Basel, dem Berliner Theater am Kurfürstendamm, dem Schauspiel Frankfurt (für die Salzburger Festspiele) und den Hamburger Kammerspielen in hochkarätigen Inszenierungen klassischer und moderner Stücke zu sehen.

Nach dem Abschluss der Schauspielausbildung erhielt Gedeck zahlreiche Theaterengagements. So war sie unter anderem am Deutschen Schauspielhaus Hamburg, dem Schauspielhaus Basel, dem Berliner Theater am Kurfürstendamm, dem Schauspiel Frankfurt (für die Salzburger Festspiele) und den Hamburger Kammerspielen in hochkarätigen Inszenierungen klassischer und moderner Stücke zu sehen.

Nach einer Reihe von Haupt- und Nebenrollen in Fernsehspielen wie Sven Severins "Goldjunge" (1988), Serien wie "Der Fahnder" (1988), Kinofilmen wie Dominik Grafs "Tiger/Löwe/Panther" (1989) und Peter Timms "Hausmänner" (1991) sorgte Gedeck erstmals 1994 durch ihre prägnante Nebenrolle in Sönke Wortmanns erfolgreicher Komödie "Der bewegte Mann" für größere Aufmerksamkeit bei Publikum und Kritik. Ein Jahr später spielte sie in Rainer Kaufmanns "Stadtgespräch" eine junge Mutter, die von ihrem Mann mit ihrer besten Freundin betrogen wird. In Wolfgang Beckers hoch gelobtem "Das Leben ist eine Baustelle" sah man sie als Rabenmutter Lilo, die auf Hausfrauen-Partys Reizwäsche verkauft. 1994/95 gehörte sie außerdem zum Ensemble der Fernsehserie "Frauenarzt Dr. Markus Merthin" mit Sascha Hehen in der Titelrolle.

Ebenfalls 1995 übernahm Gedeck in Jo Baiers Fernsehfilm "Hölleisengretl" die Titelrolle einer alleinstehenden, von Geburt an buckligen, wohlhabenden bayerischen Bäuerin, die als Hoferbin von den Männern in ihrem Leben ausgenutzt und betrogen wird. Für diese Rolle erhielt Gedeck 1995 den Bayerischen Fernsehpreis. 1997 überzeugte sie in Helmut Dietls "Rossini oder die mörderische Frage, wer mit wem schlief" als schüchterne italienische Kellnerin, die einen Drehbuchautor anhimmelt. Für diesen Part wurde sie 1997 mit dem Deutschen Filmpreis als Beste Nebendarstellerin geehrt.

Ein Jahr später folgte ein Adolf-Grimme-Spezialpreis für ihre Leistung in drei unterschiedlichen Fernsehspielen: in "Lea Katz – Die Kriminalpsychologin: Das wilde Kind" verkörperte sie die Titelrolle einer Dozentin für Kriminalpsychologie, die an einen Kaspar-Hauser-Fall gerät; in "Der Neffe" beeindruckte sie als lebenslustige, attraktive Tante; in "Bella Block – Tod eines Mädchens" brillierte sie als Polizistenwitwe und alkoholkranke Mutter eines 13-jährigen Mädchens.

Hoch gelobt wurde sie außerdem für ihre Rolle in der Komödie "Frau Rettich, die Czerny und ich" (1998) und in Didi Danquarts Heimatdrama "Viehjud Levi". Darin stiftet sie als Sekretärin eines Nazi-Karrieristen Unfrieden in einem Schwarzwalddorf.

1999 arbeitete sie erneut mit Dominik Graf zusammen: In dem Familiendrama "Deine besten Jahre" (TV) gab sie eine wohlhabende Unternehmergattin, deren Leben durch eine Verkettung tragischer Ereignisse zusehends aus dem Ruder zu laufen droht – eine Rolle, die ihr erneut den bayerischen Fernsehpreis einbrachte. Im gleichen Jahr spielte sie die Hauptrolle der Mutter in Anno Sauls Jugenddrama "Grüne Wüste" – und erhielt dafür den Bayerischen Filmpreis.

1999 dreht Gedeck unter der Regie von Sherry Horman in den USA "Scheidung auf Amerikanisch". An der Seite von John Corbett ("Sex & the City") spielte sie in dem Beziehungsdrama eine aus Deutschland stammende Musikstudentin, die in den USA einen Manager heiratet und eines Tages um ihre Ehe und ihre beiden Kinder kämpfen muss.

Einen großen internationalen Erfolg konnte Martina Gedeck 2001 mit der Komödie "Bella Martha" von Sandra Nettelbeck feiern. Der Film erzählt die Geschichte einer Meisterköchin, die sich plötzlich um die kleine Tochter ihrer verstorbenen Schwester kümmern muss und sich außerdem in ihren italienischen Aushilfskoch verliebt. Für diese Rolle erhielt Gedeck unter anderem den Deutschen Filmpreis 2002 und den Preis der deutschen Filmkritik. Im gleichen Jahr bekam sie einen weiteren Grimme-Preis für ihr Leistung in "Romeo": In der auf einem authentischen Fall basierenden Agentengeschichte (Regie: Hermine Huntgeburth) findet Gedeck als Sekretärin Lotte heraus, dass ihr Ehemann sie als Tarnung für seine DDR-Spionagetätigkeit ausgenutzt hat.

Bis 2005 spielte Gedeck vor allem in ambitionierten Fernsehfilnen wie Jo Baiers Heimatdrama "Verlorenes Land" (2002), Matti Geschonnecks Familiendrama "Die Mutter" (2002) oder "Hunger auf Leben" (2004), der auf den Tagebüchern der DDR-Schriftstellerin Brigitte Reimann basiert. Die Regie bei diesem Film, für den Gedeck den Deutschen Fernsehpreis erhielt, führte Markus Imboden, der ab 2005 ihr Lebensgefährte ist.

2006 spielte sie an der Seite von Sebastian Koch im Stasi-Drama "Das Leben der Anderen" eine bekannte DDR-Theaterschauspielerin, deren Beziehung und Leben unter dem Druck der Stasi zerbricht. Der Film von Florian Henckel von Donnersmarck wurde ein enormer Erfolg und erhielt zahlreiche Auszeichnungen, 2007 sogar den Oscar für den Besten fremdsprachigen Film.

Weitere - ebenfalls tragische - Rollen verkörperte sie in Oskar Roehlers vieldiskutierter Houellebecq-Verfilmung "Elementarteilchen" (2006) und in ihrem Nebenpart als deutsche Spionin in Robert de Niros CIA-Epos "The Good Shepherd" (Der gute Hirte) an der Seite von Matt Damon, Gedecks erster internationaler Großproduktion. Höchstes Lob erntete sie aber auch für eine vergleichsweise kleine Produktion, Stefan Krohmers feinsinniges Beziehungsdrama "Sommer "04" (2006). Für Vanessa Jopps Weihnachtskomödie "Meine schöne Bescherung" (2007) erhielt Gedeck erneut einen Bayerischen Filmpreis, diesmal als Beste Nebendarstellerin. 2008 folgten zwei weitere Rollen, die viel Aufsehen erregten: In seiner aufwändigen Adaption von Stefan Austs Standardwerk über die RAF, "Der Baader Meinhof Komplex", besetzte Produzent Bernd Eichinger Martina Gedeck als Ulrike Meinhof, die sich von der kritischen Journalistin zur fanatischen Terroristin verwandelt. Kurz darauf kam Helma Sanders-Brahms" "Geliebte Clara" in die Kinos, in der sie die Pianistin Clara Schumann spielte, die zwischen den Gefühlen für ihren Mann Robert und Johannes Brahms hin- und hergerissen ist.

2010 arbeitete sie erneut mit Oskar Roehler zusammen: in dessen umstrittenen Historiendrama "Jud Süss - Film ohne Gewissen" spielte sie Anna Marian, die Ehefrau des Schauspielers Ferdinand Marian.