Según su propio testimonio, estudió en colegios particulares, como el Colegio de la Sociedad Francesa de Beneficencia que marcó, según el propio autor, su futura trayectoria como autor.

A los dieciséis años inició estudios que luego abandonó en la Universidad Central.

En 1897 estrechó su amistad con María de la O Lejárraga, una joven escritora siete años mayor que él, con quién se casó a los diecinueve años, y de quien explotó su "carrera literaria".

El director español Benito Perojo llevó al celuloide también en 1931 Mamá y Susana tiene un secreto, escrita esta última con Honorio Maura.

Como poeta y prosista Martínez Sierra estuvo enclavado dentro del modernismo; escribió en este género lírico El poema del trabajo (Madrid, 1898), una colección de poemas en prosa con un "Atrio" prologal de Jacinto Benavente); Diálogos fantásticos (Madrid, 1899, también poemas en prosa); Flores de escarcha (Madrid, Tip.

Como narrador se le deben a los Martínez Sierra las novelas Pascua florida (1900), Sol de la tarde (1904), La humilde verdad (1905) y Tú eres la paz (1906).

La obra dramática se distingue, dentro del tono benaventiano, por una cierta finura psicológica y una delicadeza poética que, a veces al mismo borde del sentimentalismo dulzón, nunca logra traspasarlo.

Se consideran como mejores obras el monólogo Sólo para mujeres (1913); Canción de cuna (1911), llevada al cine por Mitchell Leisen y José Luis Garci; La sombra del padre (1909); Primavera en otoño (1911), Mamá (1913) y El reino de Dios (1916), drama este último en el que, sin abandonar el modo psicológico y sentimental que caracteriza toda su obra, intenta dar significación social y revolucionaria al tema de la caridad cristiana.

Durante su estancia en Barcelona, fueron apoyados por Santiago Rusiñol, con quien colaboraron en diversas obras firmadas conjuntamente y estrenadas en catalán (así, Ocells de pas, drama de Martínez Sierra y Rusiñol, basada en Saltimbanquis, publicada tres años antes por Martínez Sierra).