Née en Belgique, Martine Franck passe son enfance aux Etats-Unis et en Angleterre. Elle fait des études d'histoire de l'art à l'Université de Madrid puis à l'Ecole du Louvre.

En 1963, elle commence à photographier en Chine, au Japon et en Inde. En 1964, elle travaille à Paris pour le laboratoire photographique de Time-Life. Elle est l'assistante d'Eliot Elisofon et de Gjon Mili.

Photographe indépendante en 1965, elle travaille pour les magazines Life, Fortune, Sports Illustred, New York Times, Vogue.

En 1970-71, elle devient membre de l'agence Vu, créée par Pierre de Feynol. En 1972, elle est l'un des membres fondateurs de l'agence Viva à Paris. 
Elle devient également associée de Magnum en 1980 puis membre en 1983.

Elle réalise des portraits d'artistes, d'écrivains et surtout des reportages humanitaires. Elle photographie aussi toutes les productions du Théâtre du Soleil, dirigé par Ariane Mouchkine, et ce dès la fondation de la compagnie.
Par ailleurs, elle collabore avec l'Association des Petits Frères des Pauvres depuis 1985.

En 1995, elle réalise avec Robert Delpire un film de 26 min, "Ariane et compagnie : le Théâtre du Soleil".

En 2000, elle participe à la réalisation d'un film de Fabienne Trouvé pour France 3 sur l'île de Thory ("Retour en Irlande avec Martine Franck, photographe").
La Galerie Claude Bernard expose ses photographies en 2000 et en 2012.