Il est né à Genève, dixième et dernier enfant du pasteur Charles Martin. Avant même de commencer l’école, il jouait déjà du piano et improvisait. À 9 ans, il écrivait de petites chansons pour voix et piano, sans avoir reçu aucune instruction musicale. L’audition de la Passion selon saint Matthieu de Bach, qu’il entendit à l’âge de 11 ans lui laissa une impression profonde, et Bach devint son vrai mentor.
Il étudie les mathématiques et la physique à l’Université de Genève pendant deux ans (selon le souhait de ses parents), tout en travaillant à la composition et en étudiant le piano avec Joseph Lauber (1864-1952, un compositeur genevois, qui fut aussi organiste au Locle, professeur à Zurich en 1901, chef d’orchestre au Grand Théâtre de Genève). De 1918 à 1926, il vécut ponctuellement à Rome, et Paris. Les compositions de cette période le montrent en pleine possession de son métier, mais à la recherche de son propre langage musical, qu’il révèle en 1938 dans l’oratorio “Le vin herbé”, et qui fera office de “signature” de ses œuvres ultérieures. Frank Martin y intègre le dodécaphonisme, non comme doctrine, mais comme moyen d’échapper aux contraintes de la tonalité, et y infuse toute sa sensibilité.
En 1926, il fonde la Société de Musique de Chambre de Genève, qu’il dirige en tant que pianiste et claveciniste pendant 10 ans. Durant cette période, il enseigne aussi la théorie musicale et l’improvisation à l’Institut Jaques-Dalcroze et la musique de chambre au Conservatoire de Genève.
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 10 ans à Amsterdam, il s’installe finalement à Naarden, où il décède en 1974.
De 1950 à 1957, il enseigne la composition à la 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.
Il est enseveli au Cimetière des Rois à Genève.