Née à Anvers, le 2 avril 1938, dans une famille d’origine flamande et francophone, Martine Franck mène une enfance cosmopolite, baignée de culture et d’art. C’est lors d’un voyage en Extrême-Orient avec son amie de toujours, Ariane Mnouchkine, qu’elle découvre la photographie. À son retour à Paris, elle collabore avec Time-Lifeavant de devenir photographe indépendante. Ses reportages, ses portraits d’artistes et d’écrivains sont publiés dans Life, le New York Times ou Vogue. Parallèlement, elle vit, dès ses début, l’aventure de la troupe du Théâtre du Soleil, dont elle devient la photographe officielle, révélant mises en scène et vie quotidienne à la Cartoucherie.

En 1970, elle épouse Henri Cartier-Bresson, « l’œil du siècle », rencontré quatre ans plus tôt. La même année, elle intègre l’agence Vu et participe deux ans plus tard à la création de l’agence Viva. Associée à l’agence Magnum, elle en devient membre en 1983. Révulsée par l’exclusion - des femmes, des Tibétains, de la vieillesse, des réfugiés, des habitants de Tory Island - « [son] principal désir est de présenter des images qui incitent à la réflexion ». Elle réalise alors de nombreux reportages en soutien à des causes humanitaires et travaille régulièrement avec l’association des Petits Frères des pauvres. Dans les années 1990, elle se rend plusieurs fois en Asie pour réaliser des reportages sur les tulkus (des personnalités religieuses reconnues comme la réincarnation d’un maître ou d’un lama disparu).

En 2002, elle crée avec Henri Cartier-Bresson et leur fille, Mélanie, la Fondation HCB, qu’elle porte avec passion - jusqu’à son décès en 2012 - afin d’en faire un des hauts lieux de la photographie. Son travail, qui a été présenté à de nombreuses reprises, fait partie des collections des plus grands musées.