Martine Chevallier s’initie aux méthodes théâtrales Stanislavski au cours Furet avant d’intégrer le Conservatoire national supérieur d’art dramatique dans la classe d’Antoine Vitez où elle remporte le premier prix en 1974. Musicienne, elle entretient un rapport charnel avec les textes à la musicalité évidente comme ceux de Racine qu’elle affectionne particulièrement. Anne Delbée lui offre son premier grand succès sur les planches en la dirigeant dans L’Échange de Claudel au Théâtre de la Ville en 1976. La même année, Pierre Romans la met en scène dans L’Éveil du printemps de Wedekind au Théâtre de l’Odéon. En 1980, Jean-Louis Barrault et Jean-Pierre Granval lui confient le rôle de Sept-Épées dans leur mise en scène du Soulier de satin (Quatrième journée) de Claudel au Théâtre d’Orsay puis en tournée au Japon. Elle joue par la suite dans La Cerisaie de Tchekhov par Peter Brook, Le Cid de Corneille par Francis Huster et Savannah Bay de Marguerite Duras mise en scène par l’auteure.

Engagée en tant que pensionnaire le 1er novembre 1986, elle fait ses débuts à la Comédie-Française en interprétan tle rôle-titre dans Esther de Racine dirigée par Françoise Seigner. Nommée 478e sociétaire le 1er janvier 1988, elle joue entre autres sous les directions de Georges Lavaudant dans Lorenzaccio de Musset, Antoine Vitez dans La Vie de Galilée de Brecht, Yannis Kokkos dans Iphigénie de Racine, Youssef Chahine dans Caligula de Camus et Jacques Rosner dans Rodogune de Corneille. En 1995, elle tient le rôle-titre dans Phèdre de Racine mise en scène par Anne Delbée et en 2000, elle interprète Madame Jourdain dans Le Bourgeois gentilhomme de Molière vu par Jean-Louis Benoit. Piotr Fomenko lui confie le rôle de Gourmyjskaïa dans La Forêt d’Ostrovski, un rôle qu’elle reprendra dans l’adaptation cinématographique réalisée par Arnaud Desplechin en 2014. Muriel Mayette-Holtz la dirige à trois reprises, d’abord dans Le Retour au désert de Koltès –où son interprétation de Mathilde Serpenoise lui vaut le Molière de la meilleure comédienne en 2007 – puis dans Bérénice de Racine et enfin dans Le Songe d’une nuit d’été de Shakespeare. Elle joue dans Le Système Ribadier de Feydeau mis en scène par Zabou Breitman, dans Père de Strindberg dans la version d’Arnaud Desplechin et dans Poussière de Lars Norén mise en scène par l’auteur.

Elle a dernièrement joué au Théâtre du Vieux-Colombier dans Hors la loi de et par Pauline Bureau puis interprété le rôle-titre dans Jules César de Shakespeare par Rodolphe Dana.

Au cinéma, on a pu la voir dans les films d’Anne Fontaine, Roschdy Zem, Guillaume Canet, Julie Gavras, Benoît Jacquotet Lucas Belvaux.

À la télévision, elle fut dirigée entre autres par Robert Mazoyer, Marcel Bluwal, Claude Santelli, Nina Companeez et Alain Tasma.

Martine Chevallier est officier dans l’ordre des Arts et des Lettres et chevalier dans l’ordre du Mérite.