Martí Domínguez Romero neix l'any 1966 a Madrid, on el seu pare feia d'advocat. Als cinc anys torna amb la família a València, on viu fins a l'actualitat.

Net del periodista i escriptor Martí Domínguez Barberà, creix envoltat d'art, música i literatura. Els germans Domínguez i Romero estudien en el Col·legi Francès de València, on reben una educació agnòstica. Així doncs l'idioma i la cultura francesa formen part del seu procés de formació. El francès, de fet, es converteix en la seva segona llengua després del català de l'Algemesí, d'on procedeix la seva família.

Gran observador de la naturalesa des de ben jove, decideix estudiar Biologia a la Universitat de València. Durant els estudis, Eliseu Climent li demana d'escriure un article setmanal de caire científic per a la revista El Temps, col·laboració que es manté fins a l'actualitat. Acabada la Llicenciatura comença el Doctorat en entomologia i coevolució, que el porta a viure tres mesos a París per a buscar unes arnes endèmiques al Muséum Nationale d'Histoire Naturelle, a la rue de Buffon. L'experiència de la visita al magatzem del museu li serveix per escriure el preàmbul de la seva primera novel·la, dedicada al biòleg francès Georges-Louis Leclerc. Poc després continua la recerca a la National Library d'Austràlia, on troba una extraordinària col·lecció literària d'autors del segle XVIII que l'ajuden a acabar la novel·la sobre el biòleg il·lustrat, titulada Les confidències del comte de Buffon (1997). Amb aquesta novel·la guanya els premis Octubre-Andròmina de narrativa (1997), Joan Crexells (1998) i Crítica de l'Institut Interuniversitari de Filologia Valenciana (1998).

Continua la recerca científica a la Congress Library de Washington. Durant la seva estada a la capital Nord-americana, aprofita el magnífic fons per a llegir sobre la figura de Goethe. D'aquestes lectures apareix, l'any 1999 la novel·la El secret de Goethe, guardonada amb el premi Prudenci Bertrana de novel·la (1999) i per segona vegada el Crítica de l'Institut Interuniversitari de Filologia Valenciana (2001).

També publica Peiximinuti (1993) i Bestiari (2000), dos reculls d'alguns dels seus articles publicats al setmanari El Temps, que demostren una gran cultura interdisciplinària. Amb paraules de Francesc Pérez, "sol posar en els escrits uns coneixements envejables de la realitat, sense massa abstraccions —no diré que sense cap fantasia—, com pertoca a un biòleg que ha fet bé la carrera i —cosa potser més important— que s'ha interessat per allò que estudiava. A aquestes dades afegeix àmplies dosis de cultura literària, lectures i referències textuals que en general no apareixen com a sobrevingudes ni com a crosses artificials, sinó que s'integren amb una aparent facilitat amb la resta de les frases de l'escrit."

Al mateix temps col·labora habitualment en diversos mitjans de comunicació, com ara El País, Levante-EMV, Saó, L'Espill i La Vanguardia. Des del 2002 és professor titular de la facultat de Periodisme de la Universitat de València.

Amb El retorn de Voltaire (2007), novel·la guanyadora del premi Josep Pla, tanca la trilogia dedicada a la il·lustració francesa. Tal com ens diu en una entrevista l'abril del mateix any, "vaig començar la trilogia amb Les confidències del comte de Buffon, on ja apareixia Voltaire d'una manera reiterada. Si parles del XVIII necessàriament hi apareix, sempre, i fins i tot torna a aparèixer a El secret de Goethe. A més, va viure 84 anys, realment va omplir un segle, i sempre era atractiu i divertit. Buffon i Voltaire es duien prou malament i jo vaig tenir la sensació d'haver maltractat Voltaire al primer llibre i em va venir la idea de dedicar-li una novel·la. Volia parlar del nostre Voltaire, l'actual, que és l'antireligiós, el que lluita contra el fanatisme."

L'any 2007 rep el Premi Nacional de Cultura de Periodisme de la Generalitat de Catalunya, per a la seva labor com a director de la revista de divulgació científica Mètode, editada per la Universitat de València.

La sega (2015), representa un canvi de registre en la producció narrativa de l'autor. Enfront a les novel·les d'idees anteriors (amb figures del pensament com Buffon, Goethe, Voltaire o Cézanne), amb La sega l'autor reflexiona sobre la violència i la impunitat, sobre la llarga nit del franquisme. Amb aquesta novel·la, Martí Domínguez rep el Premi de la Crítica Catalana de narrativa 2016, per a «una novel·la que cal situar entre les millors que ens descriuen la repressió de la postguerra en l'àmbit de la llengua i la literatura catalana», en paraules del jurat del premi; el Premi de la Crítica Serra d'Or de novel·la, el Premi de la Crítica dels Escriptors Valencians de narrativa i el Premi Joaquim Amat-Piniella.