Martin Loeb est issu d’une famille d’artistes. Il est le petit-fils du poète et peintre Georges Odartchenko et du galeriste Pierre Loeb, le fils de l’écrivaine et éditrice Cécile Odartchenko, et le frère de l’actrice et chanteuse Caroline Loeb.
Jean Eustache le choisit pour interpréter le rôle principal de Mes petites amoureuses (1974), aux côtés de Jacqueline Dufranne et Ingrid Caven : un petit bijou du cinéma d’auteur, dans lequel le pré-adolescent établit une complicité véritable avec la caméra, et déploie un jeu mélancolique en osmose avec son personnage.
Le jeune homme est ensuite dirigé par Claude Lelouch dans Si c’était à refaire (1976), avant d’être à l’affiche du teen movie Jeux interdits de l’adolescence (1977) de Pier Giuseppe Murgia, auprès de Laura Wendel et Eva Ionesco.
On le retrouve dans Roberte (1979) de Pierre Zucca. Adulte, il abandonne sa carrière d’acteur et se consacre à la gravure. Martin Loeb est décédé le 22 mars 2025 à l’âge de 66 ans.