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Nato a Brooklyn, aveva iniziato a lavorare a 17 anni al New York Daily News come fumettista, dove resta per cinque anni. Nel 1955 fa un'audizione per poter essere ammesso all'Actor's Studios di Lee Strasberg e su 2000 partecipanti, solo lui e Steve McQueen vengono ammessi.
Il debutto su grande schermo nel 1959 con il magnifico Intrigo internazionale di Alfred Hitchcock (1959), nel quale è l'antagonista di James Mason, ma la fama arriva con la TV: prima con la serie Mission: Impossible, dal 1963 al 1966, grazie alla quale riceve nel 1968 un Golden Globe come migliore attore TV, e successivamente con un'altra famosissima serie, Spazio 1999 (1975-77) in entrambe le quali ha lavorato con la moglie Barbara Bain, sposata nel 1957 e dalla quale ha divorziato nel 1993.
Gene Roddenberry lo voleva anche per il personaggio di Spock nella serie TV Star Trek, ruolo poi interpretato da Leonard Nimoy, che, curiosamente, ha poi preso il posto di Martin Landau quando ha lasciato la serie Mission: Impossible.
Dalla fine degli anni '70 fino alla metà degli anni '80 Landau ha per lo più insegnato recitazione, mentre sullo schermo ha lavorato in produzioni a basso costo.
Nel 1988 è stato coprotagonista insieme a Jeff Bridges di Tucker, un uomo e il suo sogno, grazie al quale ha vinto un Golden Globe e ottenuto una nomination agli Oscar come migliore attore non protagonista.
Woody Allen lo sceglie per un ruolo principale in Crimini e Misfatti del 1989, che gli vale ancora una nomination agli Oscar, che vincerà con Ed Wood di Tim Burton del 1995, film biografico nel quale interpreta Bela Lugosi.
Il suo ultimo film, Remember di Atom Egoyan, era stato presentato in concorso alla 72ma Mostra Internazionale d'Arte Cinematografica di Venezia.Landau riceve il Golden Globe e l'Oscar come migliore attore non protagonista, oltre ai premi delle associazioni della critica cinematografica. Da Barbara Bain ha avuto due figlie, Susan, produttrice esecutiva, e Juliet, attrice.