Мартин Милнер родился 28 декабря 1931 года в Детройте, штат Мичиган.
Мартин Милнер начал свое актерскую карьеру в Голливуде в 1947 году со съемок в художественных фильмах. Однако большинство его ролей прошли незаметно для публики и критики. Подлинную известность ему принесло телевидение, где он снялся почти в 60 сериалах. Наиболее значительной работой Милнера как телевизионного актера считается сериал «Шоссе 66» (Route 66), который шел на телеканале «CBS» в 1960 -1964 годах. Всего было снято 116 эпизодов.
В 1957 году Милнер женился на певице и актрисе Джудит Бесс Джонс. В их браке родилось четверо детей. В 2004 году их старшая дочь Эми умерла от рака крови.
Мартин Милнер скончался на 84-м году жизни в воскресенье, 6 сентября 2015 года, в своем доме в Лос-Анджелесе. Он умер из-за осложнений, вызванных болезнью Паркинсона.