Desde muy joven trabaja como tipógrafo y periodista. Su actividad política comienza hacia 1903, cuando se afilia al partido de la Unión Republicana siguiendo la trayectoria de Lerroux con la formación del Partido Radical. Su alejamiento de Lerroux llegó en 1934 y se plasmó en la formación del partido Radical Demócrata. Durante la dictadura de Primo de Rivera fue destacada su actividad política defendiendo la alternativa del régimen republicano.

Cuando llega la República en 1931, su protagonismo y compromiso político se hace evidente. Así fue elegido diputado en tres ocasiones; dos de ellas por Sevilla, en 1931 y 1933; y la tercera y última, en 1936, por Madrid. Fue presidente de la Cámara en dos ocasiones; la primera, de manera interina entre el 16 de marzo y el 3 de abril de 1936 y en la legislatura de 1936, por 386 votos a favor de un total de 397: "... No dudo de que en el transcurso de estos días, aquellos en que en realidad nuestra función ha de desarrollarse, la pasión de todos pondrá notas acaloradas en las discusiones; pero confío de antemano en que, más que el servicio y el respeto del derecho ajeno, contendrá a todos en los límites de moderación y de cortesía el propio decoro. Quienes no saben, no pueden o no quieren respetar a los demás, es porque anticipadamente empiezan por no respetarse a sí mismos..." (Sesión de 16 de marzo de 1936).

Su segunda presidencia tuvo lugar en la legislatura de 1936, entre el 3 de abril y el 31 de marzo de 1939, por 287 votos a favor de un total de 290: "... Estamos ante la coyuntura, favorable para el país, de que grandes masas de opinión aparecen confiadas en que la República atenderá sus peticiones y abrirá el cauce legal que les permita realizar los designios históricos a que esas clases sociales están llamadas. Frustrar la esperanza sería un tremendo error; lo sería, principalmente, para la paz social y para la convivencia civil, que es el fundamento de las democracias..." (Sesión de 3 de abril de 1936).

Entre 1910-1913 y 1920-1923 fue concejal del Ayuntamiento de Sevilla. Formó parte del gobierno de Alcalá Zamora como ministro de Comunicaciones hasta diciembre de 1931. Nuevamente ministro de Gobernación en el gobierno de Lerroux, entre septiembre y octubre de 1933; repetiría en la misma cartera entre los meses de enero y marzo de 1934. Presidió el Consejo de Ministros en dos ocasiones; la primera en 1933; la segunda en 1936. Ocupó la cartera de Guerra en varias ocasiones, algunas de ellas de manera interina, en el otoño de 1933 y enero de 1934.

Terminada la Guerra Civil se exilia; primero a Francia y luego a México donde el 17 de agosto de 1945 jura como Presidente interino de la República española en el exilio.

En México se celebran cinco sesiones en 1945: el 10 de enero de 1945, en que preside el propio Martínez Barrio, el 17 de agosto en que preside Luis Fernández Clérigo y tiene lugar el juramento del presindente de las Cortes como presidente interino de la República y los días 7, 8 y 9 de noviembre de 1945, cuyas sesiones son presididas por Luis Jiménez de Asúa.

De estas sesiones se han localizado los Extractos Oficiales que se publicaron en México DF.

Fallece en París el 1 de enero de 1962, donde había establecido su residencia en 1946. Descansa en el cementerio de Saint Germain-en-Laye.

La biografía procede de la publicación "Los presidentes del Congreso de los Diputados, 1810-2010" (2010), coordinada por Sofía Gandarias Alonso de Celis y Mateo Maciá Gómez, y editada por el Departamento de Publicaciones del Congreso de los Diputados. Los textos fueron realizados por ambos coordinadores, con la colaboración de Esperanza Prieto Hernández.