Né le 20 juin 1928 à Brooklyn, Martin Landau commence par être illustrateur avant de rejoindre les rangs de l'Actor's Studio. Il commence alors une carrière de comédien, partageant son temps entre la scène et de régulières apparitions télévisées dans diverses séries. On l'aperçoit également en 1959 dans La mort aux trousses d'Alfred Hitchcock, où il joue un sbire antipathique.

En 1966, ratant de peu le rôle de Spock dans la série Star Trek, il décroche celui de l'agent protéiforme Rollin Hand dans Mission: Impossible, où il partage l'écran avec sa compagne Barbara Bain. Le couple quitte la série à l'issue de la troisième saison, mais se voit à nouveau réuni de 1975 à 1978 dans la série de science-fiction Cosmos 1999.
Après une période de relatif oubli au cours des années 80, durant lesquelles il joue les troisièmes couteaux à la télévision et au cinéma, Martin Landau est choisi en 1994 par Tim Burton pour incarner l'acteur Bela Lugosi dans son film Ed Wood. Landau décroche l'Oscar du meilleur second rôle, et sa carrière est relancée pour les quelques années qui suivent : on le retrouve dans Pinocchio (1996), X-Files (1998), Sleepy Hollow (1999), The Majestic (2001)... Ayant dépassé les 70 ans, Martin Landau se fait plus discret depuis le début des années 2000.
Il a été marié à Barbara Bain de 1957 à 1993, et le couple a eu deux enfants.

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