Después de estudiar en el Arte Dramático en la Escuela Superior de Madrid y comenzar su carrera como actor en el teatro, Fele Martínez debuta en la gran pantalla en el thriller de Alejandro Amenábar ‘Tesis’ (1996), por el que se alza con el Goya al mejor actor revelación. El actor vuelve a ponerse a las órdenes de Amenábar en ‘Abre los ojos’ (1997), junto a Penélope Cruz.
Fele Martínez trabaja con grandes realizadores españoles como Julio Médem en ‘Los amantes del círculo polar’ (1998); Jaume Balagueró en ‘Darkness’ (2002), y Pedro Almodóvar en ‘La mala educación’ (2004). En 2008, el actor se une al reparto de la serie de televisión ‘Física o química’, donde da vida a Mario.