En 2007, il a commencé à courir en GP2 Series, où il a marqué des points dans huit courses sur quatorze. En 2008, il a fait ses débuts en Formule 1 en signant avec l'équipe Toro Rosso, mais n'a pu prendre part à aucune course en raison de son manque d'expérience en test automobile.
En 2009, il est revenu dans la GP2 Series, où il a terminé cinquième du championnat. Il a également fait ses débuts en DTM cette année-là , à l'occasion de la manche finale à Hockenheimring.
En 2010, Martin est revenu en Formule 1 avec Virgin Racing après avoir signé un contrat de pilote d'essai pour l'équipe lors du Grand Prix de Belgique. Il n'a couru qu'un seul Grand Prix en tant que titulaire, à Abu Dhabi, mais n'a pas réussi à qualifier son voiture.
En 2011, il a rejoint l'équipe Lotus F1 Team en tant que pilote d'essai et a pris part à une séance de qualification pour la première fois en Formule 1 lors du Grand Prix d'Allemagne. En 2012, Martin a participé à onze Grands Prix avec Marussia Virgin Racing en tant que remplaçant de Timo Glock, mais n'a pas réussi à marquer des points.
En 2013, il est revenu en DTM et a couru pour l'équipe Audi Sport Team Abt Sportsline. En 2014, il a remporté sa première victoire dans la catégorie à Spa-Francorchamps et s'est classé cinquième du championnat.
En 2015, Martin est passé chez BMW Team RMG et a terminé septième du championnat. En 2016, il a remporté sa deuxième victoire à Hockenheimring et s'est classé quatrième du championnat. En 2017, il a été remplacé par Maxime Martin chez BMW Team RMG mais a continué à courir dans la catégorie en tant que pilote invité pour l'équipe Audi Sport Team Rosberg.
En 2018, il est revenu chez Audi Sport Team Abt Sportsline et s'est classé septième du championnat. En 2019, il a remporté sa troisième victoire à Spa-Francorchamps et s'est classé cinquième du championnat.
En 2020, Martin a rejoint la catégorie GT pour courir pour l'équipe AF Corse en Endurance World Championship dans la catégorie LMGTE Pro avec Alessandro Pier Guidi et James Calado. Il est également passé chez Audi Sport Team WRT pour courir dans le championnat Intercontinental GT Challenge.
Markko Martin est considéré comme l'un des pilotes les plus prometteurs de sa génération, mais il a toujours manqué de régularité pour atteindre la hauteur de ses performances en course.