Urodził się jako Dino Paul Crocetti w rodzinie pochodzenia włoskiego jako syn Angeli Crocetti (z domu Barra; 1897–1966) i Gaetana Alfonsa „Guya” Crocettiego (1894–1967). Miał starszego brata Williama Alfonsa (1916–1968).
Rodzina jego ojca pochodziła z miasta Montesilvano, natomiast matki z Monasterolo del Castello. W domu mówiono przede wszystkim po włosku, przez co chłopiec opanował dobrze angielski dopiero w wieku 5 lat, gdy trafił do szkoły. Z powodu słabej znajomości języka był w dzieciństwie prześladowany przez rówieśników. Naukę porzucił w wieku 15 lat, twierdząc iż jest mądrzejszy od swoich nauczycieli. Potem został bokserem, a następnie był krupierem. Występował w jednym z klubów w New Jersey. Na jesieni 1943 został powołany do amerykańskiego wojska, ale już po 14 miesiącach został zwolniony z powodu przepukliny.
W 1946 nawiązał współpracę z komikiem Jerrym Lewisem. Wkrótce ich duet komediowy Martin i Lewis stał się przebojem nocnych klubów. Lewis stworzył postać agresywnego i brutalnego półgłówka, a Martin był zawsze leniwie uśmiechnięty i niewymuszanie czarujący. Pisano o nim złośliwie, że śpiewa ciepłym głosem w sposób „nieprzyzwoicie banalny”, i że jest tylko tłem dla popisów Lewisa. Jako piosenkarz Martin kopiował style Harry’ego Millsa (z The Mills Brothers), Binga Crosby’ego (który często śpiewał z nim w programach telewizyjnych) i Perry’ego Como, dopóki nie rozwinął własnego. Często występował wspólnie ze swoim przyjacielem Frankiem Sinatrą. Wylansował wiele znanych piosenek, w tym „Sway”, „Everybody Loves Somebody Sometimes”, „Mambo Italiano”, „One For My Babe”, „Blue Moon”, „Memories Are Made Of This”, „That’s Amore”, „Things” (duet z Nancy Sinatrą), „My Rifle, My Pony, and Me” (z filmu Rio Bravo).
W 1948 duet komediowy Martin i Lewis trafił do Hollywood i podpisał kontrakt z wytwórnią Paramount Pictures. Wystąpił z Jerrym Lewisem w 16 niskobudżetowych komediach. Pierwszą był My Friend Irma (1949), a w najlepszej z nich The Stooge (1951) Normana Tauroga zagrał rolę wodewilowego reżysera, alkoholika i egocentryka Billa Millera. Duet Martin i Lewis rozpadł się w 1956.
Próbowano z niego uczynić komediową gwiazdę, ale muzyczna komedia romantyczna Richarda Thorpe’aDziesięć tysięcy sypialni (Ten Thousand Bedrooms, 1957), gdzie został obsadzony w roli bogatego właściciela sieci hoteli Raya Huntera, który zakochuje się w młodej Włoszce (Anna Maria Alberghetti), była klapą. Dzięki obrotnemu agentowi, udało się Martinowi uzyskać rolę Michaela Whiteacre’a w kasowym dramacie wojennym Edwarda DmytrykaMłode lwy (The Young Lions, 1958) u boku Marlona Brando. Najważniejszą rolą aktorską Martina (odrzuconą przez Montgomery’ego Clifta) był Dude, pomocnik szeryfa i nałogowy pijak, który dostaje jeszcze jedną szansę walki z nałogiem i powoli, dzięki przyjaciołom, odzyskuje godność w westernieHowarda HawksaRio Bravo (1959) u boku Johna Wayne’a i Ricky’ego Nelsona. Prasa wystawiała mu opinię alkoholika i kobieciarza. Tę opinię Martin wyśmiewał grając rolę „Dina Martini” w komedii erotycznej Billy’ego WilderaPocałuj mnie, głuptasie (Kiss Me, Stupid, 1964) z Kim Novak. W 1973 wystąpił z żądaniem odszkodowania w wysokości miliona dolarów od wytwórni Universal Pictures za „niewłaściwe wyliczanie wpływów z filmu” katastroficznego Henry’ego Hathawaya i George’a SeatonaPort lotniczy (Airport, 1971), gdzie zagrał postać kapitana Vernona Demeresta. W jednym z odcinków serialu kryminalnego ABCAniołki Charliego (Charlie’s Angels, 1978) – pt. „Aniołki w Vegas” („Angels in Vegas”) wystąpił jako szef kasyna Frank Howell, wytrącony z równowagi po gwałtownej śmierci swoich najbliższych przyjaciół.
Życie prywatne
Był trzykrotnie żonaty. Miał czworo dzieci z pierwszego małżeństwa z Elizabeth Anne McDonald (1922–1989): Craiga (ur. 1942), Claudię (1944–2001), Gail (ur. 1945) oraz Deanę Martin (ur. 1948). Para pobrała się w 1940, a rozwiodła w 1949 roku. Jego drugą żoną była Jeanne Riegger (1927–2016). Małżeństwo przetrwało 23 lata i doczekało się trójki dzieci: Deana Paula (1951–1987), Ricci’ego (1953–2016) oraz Giny Martin (ur. 1956). Małżeństwo zakończyło się w 1973. W tym samym roku poślubił Catherine Mae Hawn (ur. 1947), byłą modelkę. Małżeństwo zakończyło się trzy lata później. Nie mieli własnych biologicznych dzieci, ale Martin adoptował córkę, Sashę.
Nigdy nie wyzdrowiał po śmierci syna. Był palaczem. 16 września 1993 zdiagnozowano u niego raka płuc. Powiedziano mu, że będzie wymagał operacji, ale odmówił leczenia. Zrezygnował z życia publicznego na początku 1995. Zmarł w wieku 78 lat na ostrą niewydolność oddechową wynikającą z rozedmy płuc bożonarodzeniowym rankiem w swoim domu w Beverly Hills. Miasto Las Vegas oddało mu cześć wygaszając wszystkie światła. Został pochowany na cmentarzu Westwood Village Memorial Park w Los Angeles.
Poniższa lista przedstawia wyłącznie studyjne albumy piosenkarza. Jego pełna dyskografia, single, kompilacje oraz inne wydawnictwa opisane zostały w osobnym artykule.
JerryLewis,JamesKaplan:Dean & Me (A Love Story).Nowy Jork:Doubleday,2005,s.352. ISBN0-7679-2086-4.
DeanaMartin,JerryLewis (przedmowa),WendyHolden:Memories Are Made of This: Dean Martin Through His Daughter’s Eyes.Nowy Jork:Three Rivers Press,2005,s.336. ISBN978-1-4000-9833-0.