Formé à l’Actors Studio, Martin Balsam débute à la télévision en 1949, et au cinéma en 1954, dans Sur les quais d’Elia Kazan. Il devient dès lors l’un des seconds rôles les plus talentueux et prolifiques de Hollywood.
Juré numéro un dans Douze hommes en colère (1957) de Sidney Lumet, ou médecin dans La fureur d’aimer (1958) d’Irving Rapper, il trouve son rôle le plus célèbre avec le détective privé Arbogast dans Psychose (1960) d’Alfred Hitchcock. Son meurtre après avoir monté les marches d’un escalier est un moment fort du film.
Sergent dans la comédie La grande pagaille (1960) de Luigi Comencini, chef de la police dans Les nerfs à vif (1962) de J. Lee Thompson, ou lieutenant dans le film de guerre Aux postes de combat (1964) de James B. Harris, il tourne une quinzaine d’autres longs métrages au cours de cette décennie, dont Diamants sur canapé (1961) de Blake Edwards, et Des clowns par milliers (1965) de Fred Coe, pour lequel in obtient l’Oscar du meilleur acteur dans un second rôle.
Dans les années 70, Martin Balsam reste très actif. Il incarne le charlatan Merriweather dans Little Big Man (1970) d’Arthur Penn, l’ami de Poirot dans Le crime de l’Orient-Express (1974) de Lumet, ou le rédacteur en chef dans Les hommes du président (1976) d’Alan J. Pakula.
Il tourne aussi en Italie, avec Mauro Bolognini ou Damiano Damiani, et dans des productions diverses signées Andrew W. McLaglen, Larry Pierce ou Richard Lester.
Toujours sur les plateaux de cinéma dans les années 80 et 90, il est vu dans une vingtaine d’autres films, dont Le justicier de New York (1985) de Michael Winner, Delta Force (1986) de Menahem Golam, Deux yeux maléfiques (1990) de Romero et Argento, ou le remake des Nerfs à vif réalisé par Martin Scorsese (1991). Martin Balsam tourne jusqu’à sa mort, en 1996.
