Su verdadero nombre era Marie-Louise Jeanne Nicolle Mourer, y nació en Saint-Mandé, Francia el 16 de mayo de 1920. Estudió interpretación bajo la dirección de René Simon (1898–1966), debutando como actriz teatral en 1940 y en el cine en 1943.
Una de las actrices cinematográficas más bellas de los años 40, 50 y 60, fue frecuentemente elegida para interpretar a rubias seductoras y elegantes. En los últimos años de la década de 1940 e iniciales de la siguiente, fue la más destacada sex symbol a la vez que mito erótico y taquillera actriz del cine francés. Uno de sus papeles más famosos fue el del título en «Lola Montès» (1955), película dirigida por Max Ophüls y en la cual hubo de teñirse el pelo de oscuro, y «Mujeres soñadas» (1952), de René Clair. Fue habitual en los dramas de época de los años 50, muchos de ellos dirigidos por su marido de de la época, el director Christian-Jacque, destacabdo en «Nana» (1955), pero tambien en «Adorables criaturas» (1952), «Lucrecia Borgia» (1953) y «Natalie» (1957).
En estos años intentó también el asalto al cine anglosajón, sin demasiado éxito, destacando «La vuelta al mundo en 80 días (1956) y «Ten Seconds to Hell» (1959), a las órdenes de Robert Aldrich. Además en 1960 encarna a Josefina en la superproducción de Abel Gance «Austerlitz» (1960), que recreaba la famosa batalla de Napoleón.
A pesar de su fama y su fortuna, la vida de Martine Carol fue desordenada, con un intento de suicidio tras romper con su amante, el actor casado GeorgesMarchal, abuso de drogas y cuatro matrimonios. Incluso llegó a ser secuestrada por el gángster Pierre Loutrel (o «Pierrot le Fou»), aunque brevemente y recibiendo al día siguiente unas rosas en señal de disculpa.
Martine Carol se casó cuatro veces. Sus maridos fueron: Stephen Crane, actor estadounidense y gerente de un restaurante, anteriormente marido de Lana Turner. Se casaron en 1948 y se divorciaron en 1953. Christian-Jaque, director cinematográfico francés. Casados el 15 de julio de 1954, y divorciados en 1959. André Rouveix, un joven médico al que conoció en Fort-de-France, Martinica, y con el que se casó el 3 de agosto de 1959. Se divorciaron en 1962. Mike Eland, un hombre de negocios inglés. Se casaron en 1966, permaneciendo juntos hasta la muerte de ella.
Martine Carol falleció súbitamente el 6 de febrero de 1967 a causa de un infarto agudo de miocardio en un hotel de Monte Carlo. Tenía 46 años de edad. Inicialmente fue enterrada en el Cementerio del Père-Lachaise, en París. Sin embargo, su tumba fue violada (algunos medios afirmaron que la actriz fue enterrada con sus joyas), por lo que hubo de ser sepultada definitivamente en el Cementerio du Grand Jas, en Cannes.
