Dino abandonó los estudios poco después de acabar la primaria y empezó a trabajar en distintas actividades, como peón, ayudante en una gasolinera, croupier y tuvo un período en que probó como boxeador. En el cuadrilátero no le fue mal, luchando bajo el seudónimo de Kid Crocetti.
El 2 de octubre de 1941 se casó con Elizabeth Anne McDonald. Tuvieron cuatro hijos, entre ellos, la también cantante Gail Martin. Dean se divorció en 1949. Ese mismo año se volvió a casar con Jeanne.
Paralelamente a sus escarceos en el ring, Dino empezó a actuar como cantante en los nightclubs, para esta faceta eligió el nombre artístico de Dino Martini.
A lo largo de su dilatada carrera como cantante, Martin tuvo grandes éxitos como con las interpretaciones '"Volare (nel blu dipinto di blu)"' de Domenico Modugno, "Everybody loves somebody" y "Sway". Con el tiempo, en sus actuaciones, además de cantar, también interpretaba números cómicos.
En estos ambientes conoció a otro cómico novato llamado Jerry Lewis. Ambos se hicieron colegas inseparables y prepararon un número como dúo que estrenaron en el 500 club Atlantic City en 1946. Dean vio en su asociación con Jerry Lewis la posibilidad de explotar una veta en el género de la farándula cómica. Fue la pareja cómica con más éxito en Estados Unidos durante una década.
Desde la década de los 50, Dean Martin formó parte de un grupo de actores conocido como el rat pack junto con con Frank Sinatra, Peter Lawford o Sammy Davis, Jr.. Todos participaron en la película Cuadrilla de los once de 1960. De los miembros del rat pack se decía que tenían estrechos contactos con el mundo de la mafía, de hecho, se dejaban ver con conocidos miembros del crimen organizado en Las Vegas, ciudad en la que se sentían como pez en el agua.
Loco por Anita de 1956 fue la última película en la que Martin y Lewis participaron juntos.
El 21 de marzo de 1987, su hijo Dino falleció en un accidente aéreo sobre las Montañas de San Gorgonio, California. La pérdida fue un duro golpe para Dean Martin que se sumió en una profunda depresión de la que nunca llegaría a recuperarse.
Dean Martin murió, con 78 años, el día de navidad de 1995 en Beverly Hills, California como consecuencia de un enfisema que le produjo su avanzado cáncer de pulmón. Sus restos se encuentran en el Cementerio Westwood Village Memorial Park de Los Ángeles, California.
Como gran curiosidad, Dean Martin casí no bebía, aunque siempre tenía un vaso de licor en la mano para simular esto.
