Va néixer a Barcelona el 29 d'abril del 1937. Fou ordenat sacerdot a Cornellà de Llobregat el 17 de setembre de 1961. Estudià seguidament a la Pontificia Università Lateranense de Roma, per la qual es doctorà el 1967 en drets civil i canònic mitjançant la tesi "El dret d'associació a l'Església".
El 1987 fou consagrat bisbe titular d'Algesires i auxiliar de Barcelona. El 1991 fou nomenat bisbe de Tortosa i el 1997 el traslladaren a la seu metropolitana i primada de Tarragona. El 2004 fou nomenat Arquebisbe Metropolità de Barcelona.
El 24 de novembre de 2007 el papa Benet XVI el creà cardenal del títol de San Sebastiano alle Catacombe. El juny de 2008 ha estat nomenat membre del Tribunal Suprem de la Signatura Apostòlica i del Consell pontifici per als Laics. El juny de 2010 va ser nomenat membre de la Prefectura dels Afers Econòmics de la Santa Seu.
El 6 de novembre de 2010 rebé a Barcelona el Papa Benet XVI, que visità la ciutat per a dedicar el Temple Expiatori de la Sagrada Família l'endemà i convertir-la en basílica, visita que, segons afirmà el Papa, li deixà un record inoblidable.
Del 12 de març al 13 de març de 2013 participà en el Conclave que escollí el cardenal Jorge Mario Bergoglio com a Papa, per succeir a Benet XVI.
El 2 d'abril del 2013, el Govern concedí la medalla d'or de la Generalitat al cardenal Martínez Sistach com a reconeixement al mèrit de Mons. Martínez Sistach en la visita del Papa a Barcelona de fa tres anys i de posar en valor el seu paper al capdavant de l'Església catalana.
El papa Francesc, el 6 de novembre de 2015, va fer efectiva la seva renúncia al capdavant de l'arquebisbat de Barcelona.
El 7 de març de 2016, com a arquebisbe emèrit, va rebre el Premi Immaculada atorgat pel Consell General de Germandats i Confraries de Barcelona, al Saló de Cròniques de l' Ajuntament de Barcelona