Մարտիրոս Սարյանը ծնվել է 1880թ.-ի փետրվարի 16 (4)-ին: Նրա նախնիները գաղթել են Ղրիմ, որտեղից նրանց շառավիղները տեղափոխվել են Նոր Նախիջևան: Սարյանը 1895թ. ավարտել է Նոր Նախիջևանի հայ-ռուսական հանրակրթական, 1903թ.՝ Մոսկվայի գեղանկարչության, քանդակագործության և ճարտարապետության ուսումնարանները, կատարելագործվել է Վալենտին Սերովի և Կոնստանտին Կորովինի դիմանկարի արվեստանոցում:
Սովորելու տարիներին ստեղծել է մոր՝ Ուստիան Սարյանի (1898թ.), Սոֆյա Միանսարյանի (1903թ.) դիմանկարները, «Ինքնանկարը», «Մայրավանքը» (երկուսն էլ՝ 1902թ.) և այլ գործեր: 1901թ. Սարյանն առաջին անգամ եղել է Երևանում, Աշտարակում, Վաղարշապատում, Սևանում, 1902թ.՝ Անիում:
Այդ և հետագա տարիներին ուսումնասիրել է հայ ժողովրդի պատմությունը, նիստուկացն ու մշակույթը, որը մեծապես նպաստել է Սարյանի աշխարհայացքի և ստեղծագործական մեթոդի ձևավորմանն ու զարգացմանը: Նա ստեղծել է դիմանկարներ, բնանկարներ, նատյուրմորտներ, բեմանկարչական գործեր, ձևավորել գրքեր:
Ստեղծագործության 1-ին շրջանում (1904-1909թթ.) հրաժարվելով ավանդական մտածելակերպից և սկզբունքներից՝ Սարյանն ստեղծել է յուրահատուկ և արդիական արվեստ, որն անվանվեց «սարյանական»: 1907թ. Մոսկվայում մասնակցել է «Գոլուբայա ռոզա» և այլ ցուցահանդեսների, ներկայացրել է «Հեքիաթներ ու երազներ» նկարաշարը («Հեքիաթ: Արարատի ստորոտին», 1904թ., «Ծաղկած սարեր», 1905թ., «Համբույր», 1906թ., «Հեքիաթ», 1908թ., և այլն):
Ստեղծագործության 2-րդ շրջանում (1910-ական թվականներ) Սարյանը ճամփորդել է Կոստանդնուպոլսում (1910թ.), Եգիպտոսում (1911թ.), Պարսկաստանում (1913թ.): Այդ շրջանի գործերը («Կ. Պոլիս: Փողոց: Կեսօր», «Իվան Շչուկինի դիմանկարը», «Փյունիկյան արմավենի», «Եգիպտական գիշեր», «Բանաններ», «Գարեգին Լևոնյան», «Պարսկական նատյուրմորտ», «Դաշտային ծաղիկներ» և այլն), ի տարբերություն «Հեքիաթներ ու երազներ» նկարաշարի՝ կերպավորմամբ, ընդգրկված նյութով ու մոտիվներով իրական են:
1910-ական թվականների պատկերներում Սարյանը, համադրելով եգիպտական կերպարվեստի մոնումենտալության ու ճապոնական գունագրության մի քանի էական հատկանիշներ, Պոլ Գոգենի դեկորատիվ գունամտածողությունը, ծավալաձևի սեզանյան սկզբունքը, գունագծերի շեշտադրման Վան Գոգի եղանակը, ստացել է ինքնատիպ արժեք ու որակ:
Մեծ եղեռնի (1915թ.) ժամանակ Սարյանն աշխատել է «Հայերին օգնող մոսկովյան կոմիտեում», մեկնել է Էջմիածին: Հովհաննես Թումանյանի, Գարեգին Հովսեփյանի և ուրիշների հետ ջանք չի խնայել համաճարակից փրկելու հայ գաղթականներին: Սակայն ծանր տպավորություններից հոգեկան ցնցում ստանալով՝ տեղափոխվել է Թիֆլիս՝ հիվանդանոց:
1916թ. Մոսկվայում Վարդգես Սուրենյանցի հետ ձևավորել է Վալերի Բրյուսովի «Հայ պոեզիան…» ժողովածուն, 1919թ. Նոր Նախիջևանում հիմնել է գավառագիտական թանգարան: 1921թ. Ալեքսանդր Մյասնիկյանի հրավերով Սարյանն ընտանիքով տեղափոխվել է Երևան, նշանակվել նոր կազմակերպվող Հայաստանի պետական թանգարանի վարիչ, օգնել է Երևանի գեղարվեստի ուսումնարանի հիմնադրմանը:
Հակոբ Կոջոյանի հետ ստեղծել է ՀԽՍՀ զինանշանը, 1945-1951թթ. եղել է Հայաստանի նկարիչների միության նախագահը: 1924թ. մասնակցել է Վենետիկի բիենալեի XIV ցուցահանդեսին, 1926-1928թթ. ապրել և ստեղծագործել է Փարիզում, որտեղ 1928թ. բացել է անհատական ցուցահանդես (նկարների մեծ մասն այրվել է հայրենիք տեղափոխող նավի հրդեհից): 1937թ. Փարիզի համաշխարհային ցուցահանդեսի ԽՍՀՄ տաղավարի համար ստեղծած պաննոյի համար արժանացել է Մեծ մրցանակի: Սարյանը մահացել է 1972թ. մայիսի 5-ին:
Նկարչի գործերը հիմնականում պահվում են ՀԱՊ-ում և նրա մասնաճյուղերում, նաև ԱՄՆ-ի, Ֆրանսիայի, ԱՊՀ և այլ երկրների լավագույն թանգարաններում: Սարյանն արժանացել է Բրյուսելի միջազգային ցուցահանդեսի ոսկե մեդալի (1958թ.) և ՀԽՍՀ Պետական մրցանակի (1965թ.): 1955թ.-ից Հալեպում (Սիրիա) գործում է «Սարյան ակադեմիան», 1967թ.-ից Երևանում՝ տուն-թանգարանը: ՀՀ-ում Սարյանի պատկերով թողարկվել է թղթադրամ: