Su familia se trasladó a la localidad de Goyena, en el sudoeste de la provincia de Buenos Aires, donde su padre abrió un almacén de ramos generales.
Luego de la separación de sus padres en 1907, viajó a la ciudad de Buenos Aires, donde vivió con su tía Elisa y estudió en el Colegio Avellaneda. Por razones económicas hubo de interrumpir sus estudios y comenzó a trabajar en el Correo Central de Buenos Aires.
Publicó seis libros de poesía entre los años 1918 y 1929. En 1921 contrajo matrimonio con Agustina Morriconi, una artista plástica argentina.
Ejerció la docencia en el Colegio Nacional de la Universidad Nacional de La Plata donde, entre sus alumnos, se contó el luego célebre médico René Favaloro, con quien mantuvo amistad hasta su muerte, y con el dinero obtenido por el segundo Premio Nacional antes citado, compró un campo en Goyena.
Desde 1946 colaboró con la Revista Sur, dirigida por Victoria Ocampo. Publicó durante esa época obras de teatro, cuentos y novelas cortas.
En 1949 se radicó en Bahía Blanca, en la casa que es hoy sede de la fundación que lleva su nombre.
En los años del peronismo, Martínez Estrada sufrió de neurodermatitis, una enfermedad extremadamente discapacitante de origen psicosomático que lo mantuvo postrado por años en ámbitos hospitalarios y olvidado por casi todos, a excepción de Victoria Ocampo, según dejó consignado el mismo escritor.
Luego del golpe de estado de 1955 contra el gobierno de Juan Domingo Perón, y luego de ser sometido a las técnicas terapéuticas del llamado sueño prolongado, su salud mejoró, comenzando una serie de escritos que él llamaba sus "Catilinarias", serie de acerbos escritos dirigidos a la élite argentina, tanto gobierno como intelectuales, prediciendo que la Argentina atravesaría un siglo signado por el "Pre-Peronismo, Peronismo y Post-Peronismo."
El gobierno peronista lo había privado de su puesto de trabajo en La Plata, que recuperó en 1956 luego del golpe de estado, pero al año siguiente fue nombrado profesor extraordinario en la Universidad Nacional del Sur, en Bahía Blanca.
En 1957 asumió la presidencia de la Liga Argentina por los Derechos del Hombre.
En 1959, Martínez Estrada comenzó una serie de viajes a Chile, a la Conferencia de Paz en Viena, donde al conocer al poeta cubano Nicolás Guillén, se radicó en México durante un año enseñando en el Instituto de Ciencias Políticas en la Universidad Nacional Autónoma de México.
Escribió “Diferencias y semejanzas entre los países de América Latina”, un largo ensayo fijando paralelos con Asia y África, y en el que radicó el concepto emergente del Tercer Mundo, condenando el imperialismo, el colonialismo y expresando admiración por la Revolución Cubana, que sería su siguiente destino.
Desde septiembre de 1960 a noviembre de 1962, fue director del Centro de Estudios Latinoamericanos de la Casa de las Américas en La Habana.
Formó así parte de la densa atmósfera intelectual de los primeros años de la revolución: allí estudió en profundidad la obra de José Martí y editó dos libros de discursos de Fidel Castro.
Esta adhesión a la revolución cubana no sería comprendida ni perdonada por los intelectuales argentinos nucleados en torno de la Revista Sur.
Comenzó así un aislamiento en su tierra, que lo acompañaría hasta su muerte. Silenciamiento que persiste todavía hoy, por razones no tan fáciles de comprender.
Falleció el 4 de noviembre de 1964, en Bahía Blanca.
Los trabajos de Martínez Estrada se evidencian en sus elecciones: Nietzsche, Montaigne, Kafka, pero su compromiso se vislumbra sobre todo en su inigualable y necesaria visión sobre Argentina y Latinoamérica toda.
Compartía con su contemporáneo Horacio Quiroga los padecimientos sobre la mediocridad y la injusticia, deshumanización de la sociedad contemporánea industrial / tecnológica.
Y como José Martí, creía que un escritor debe intervenir e influenciar sobre el mundo. Así, hacia el final de su vida, apoyó la revolución cubana; y aportó sus "catilinarias", escritos muy críticos sobre la política y la cultura argentina.
Recibió múltiples premios por sus escritos.
1933 -- (Argentina) Premio Nacional de Literatura (por sus poemas).
1933 - 1934 -- Presidente de la Sociedad Argentina de Escritores (SADE).
1937 -- Premio Nacional de Letras por Radiografía de la pampa.
1942 - 1946 -- Presidente de la SADE, nuevamente.
1947 -- Alta designación de la SADE: "Gran Premio de Honor".
1949 -- SADE apuntó su nombre como candidato al Premio Nobel.