Il est né à Genève, dixième et dernier enfant de Charles Martin, un pasteur. Avant même de commencer l'école, il jouait déjà du piano et maîtrisait l'improvisation. À 9 ans, il composait des chants complets, sans avoir reçu aucune instruction musicale. Une pièce de Bach, la Passion selon saint Matthieu qu'il entendit à l'âge de 12 ans lui laissa une impression profonde, et Bach devint son vrai mentor.
Selon le souhait de ses parents, qui ne souhaitaient pas qu'il oriente sa carrière vers la musique, il étudie les mathématiques et la physique à l'université de Genève pendant deux ans, tout en travaillant secrètement[2] à la composition et en étudiant le piano avec Joseph Lauber (1864-1952), compositeur genevois qui fut aussi organiste au Locle, professeur à Zurich jusqu'en 1901, et chef d'orchestre au Grand Théâtre de Genève. De 1918 à 1926, il vécut à Zurich, Rome, et Paris. Les compositions de cette période le montrent à la recherche de son propre langage musical.
Il a été le directeur du Technicum Moderne de Musique de 1933 à 1940 et le président de l'Association des musiciens suisses de 1942 à 1946.
Il part aux Pays-Bas en 1946 pour trouver plus de temps pour ses compositions qu'il ne le peut en Suisse, où il est impliqué dans de trop nombreuses activités. Après dix ans à Amsterdam, il s'installe finalement à Naarden.
De 1950 à 1957, il enseigne la composition au Staatliche Hochschule für Musik à Cologne, Allemagne. Par la suite, il renonce à l'enseignement et se concentre sur ses compositions, les quittant occasionnellement pour des concerts de musique de chambre et pour diriger des orchestrations (de ses propres œuvres).
Frank Martin a épousé en 1918 Odette Micheli (1896-1962), en 1931 Irène Gardian (1901-1939) et en 1940 Maria Boeke (1915-2017).
Erasmi monumentum, pour grand orchestre et orgue (1969)
Poèmes de la mort, pour ténor, baryton, basse et trois guitares électriques (1969–71)
Balladepour alto, orchestre d'instruments à vent, clavecin, harpe, timbales et percussions (1972)
Polyptyque, pour violon et deux petits orchestres à cordes (1973)
Requiem, pour solistes, chœur, grand orgue et orchestre (1971-1972)
Et la vie l'emporta, cantate pour alto, baryton, chœur de chambre et ensemble de chambre (1974)
Il écrit aussi une symphonie complète (1937) et une série de ballades pour divers instruments solistes (saxophone, flûte, trombone, violoncelle) avec piano ou orchestre.
1961 : Docteur honoris causa de l'université de Lausanne - Membre Associé Honoraire de la Société des Arts de Genève
1962 : Accademico Onorario dell' Accademia Filarmonica Romana
1964 : Grand Prix des Semaines musicales internationale de Paris
1965 : Ehrenmitglied der Akademie für Musik und darstellende Kunst, Vienne - Ehrenmitglied des Musikvereins für Steiermark, Graz - Ehrenmitglied der Akademie für Musik und darstellende Kunst, Graz - Mozart-Medaille, Vienne
1968 : Verdienstkreuz 1.Klasse der Bundesrepublik Deutschland